(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像光を生成する表示デバイスと、
前記表示デバイスによって生成された映像光をスクリーンに拡大投写する投写光学系と
を備え、
前記投写光学系は、１個以上のレンズを有し全体として正のパワーを有する第１レンズ群と、前記第１レンズ群の前記スクリーン側に、前記第１レンズ群との間に可変の空気間隔を隔てて配置され、１個以上のレンズを有し全体として負のパワーを有する第２レンズ群とから構成され、
前記第１レンズ群は、前記投写光学系の光軸方向に移動しないレンズ群であり、
前記第２レンズ群は、前記表示デバイス側から順に、第１レンズおよび第２レンズを有し、前記第１レンズは前記第２レンズ群において最も前記表示デバイス側のレンズであり、前記第１レンズおよび前記第２レンズはいずれも負のパワーを有し、
映像光のうち、前記表示デバイスと前記投写光学系の光軸との交点から出射された光を軸上光とし、前記表示デバイスの周縁から出射された光を周縁光とすると、
前記投写光学系により形成される像面が平面となるときの前記第１レンズおよび前記第２レンズの光軸方向の位置を基準として、前記第１レンズを前記表示デバイスに接近させ、前記第２レンズを前記表示デバイスから離間させることにより、前記周縁光の焦点位置が前記軸上光の焦点位置よりも光軸方向において前記投写光学系に接近して、前記像面が前記投写光学系側に凹となり、
前記像面が平面となるときの前記第１レンズおよび前記第２レンズの光軸方向の位置を基準として、前記第１レンズを前記表示デバイスから離間させ、前記第２レンズを前記表示デバイスに接近させることにより、前記軸上光の焦点位置が前記周縁光の焦点位置よりも光軸方向において前記投写光学系に接近して、前記像面が前記投写光学系側に凸となることにより、前記投写光学系により形成される前記像面の曲率が変化し、
前記像面が前記投写光学系側に凹となる場合に、前記第１レンズに入射する前記軸上光の収束角をｕ１ｂ、前記第１レンズから出射される前記軸上光の収束角をｕ２ｂ、前記第２レンズから出射される前記軸上光の収束角をｕ３ｂとし、さらに、前記第１レンズに入射する前記周縁光の収束角をｖ１ｂ、前記第１レンズから出射される前記周縁光の収束角をｖ２ｂ、前記第２レンズから出射される前記周縁光の収束角をｖ３ｂとし、
前記像面が前記投写光学系側に凸となる場合に、前記第１レンズに入射する前記軸上光の収束角をｕ１ｃ、前記第１レンズから出射される前記軸上光の収束角をｕ２ｃ、前記第２レンズから出射される前記軸上光の収束角をｕ３ｃとし、さらに、前記第１レンズに入射する前記周縁光の収束角をｖ１ｃ、前記第１レンズから出射される前記周縁光の収束角をｖ２ｃ、前記第２レンズから出射される前記周縁光の収束角をｖ３ｃとしたときに、
ｕ２ｃ＞ｕ２ｂ
ｕ３ｃ＞ｕ３ｂ
ｖ２ｃ＞ｖ２ｂ
ｖ３ｃ＞ｖ３ｂ
ｕ１ｂ−ｕ２ｂ＞ｖ１ｂ−ｖ２ｂ
ｕ１ｃ−ｕ２ｃ＞ｖ１ｃ−ｖ２ｃ
（ｕ１ｃ−ｕ２ｃ）−（ｖ１ｃ−ｖ２ｃ）＞（ｕ１ｂ−ｕ２ｂ）−（ｖ１ｂ−ｖ２ｂ）
（ｖ２ｃ−ｖ３ｃ）−（ｕ２ｃ−ｕ３ｃ）＞（ｖ２ｂ−ｖ３ｂ）−（ｕ２ｂ−ｕ３ｂ）
を満足することを特徴とする投写型画像表示装置。
【請求項２】
映像光を生成する表示デバイスと、
前記表示デバイスによって生成された映像光を拡大投写する投写光学系と、
拡大投写された前記映像光を表示する曲面形状を有するスクリーンと
を備え、
前記投写光学系は、１個以上のレンズを有し全体として正のパワーを有する第１レンズ群と、前記第１レンズ群の前記スクリーン側に、前記投写光学系において最も大きな空気間隔を隔てて配置され、１個以上のレンズを有し全体として負のパワーを有する第２レンズ群とから構成され、
前記第１レンズ群および前記第２レンズ群を構成する各レンズのうち少なくとも１つのレンズの光軸方向の位置を調整することにより、前記投写光学系により形成される像面の曲率が前記スクリーンの曲面形状に対応して変化し、
前記像面が前記投写光学系側に凹となる場合の軸上光の集光位置は、前記像面が平面である場合の軸上光の集光位置に対して、前記第２レンズ群と反対側に存在し、
前記像面が前記投写光学系側に凸となる場合の軸上光の集光位置は、前記像面が平面である場合の軸上光の集光位置に対して、前記第２レンズ群と同じ側に存在し、
前記表示デバイス上の各点から出射された光は、焦点深度内でスクリーン面と交わり、
前記第１レンズ群は、前記表示デバイス側から前記スクリーン側に向かって順に、正のパワーを有する第１サブレンズ群と、負のパワーを有する第２サブレンズ群と、正のパワーを有する第３サブレンズ群と、正のパワーを有するもう一つのサブレンズ群とから構成され、少なくとも前記第３サブレンズ群は、前記光軸方向の位置調整が可能であり、
前記像面が平面となる場合に、第２レンズ群と軸上光の焦点との距離をＬａ、第２レンズ群と周縁光の焦点との距離をＯａ、第１サブレンズ群と第２サブレンズ群との距離をＭａ、第２サブレンズ群と第３サブレンズ群との距離をＮａとし、
前記像面が凹面となる場合に、第２レンズ群と軸上光の焦点との距離をＬｂ、第２レンズ群と周縁光の焦点との距離をＯｂ、第１サブレンズ群と第２サブレンズ群との距離をＭｂ、第２サブレンズ群と第３サブレンズ群との距離をＮｂとし、
前記像面が凸面となる場合に、第２レンズ群と軸上光の焦点との距離をＬｃ、第２レンズ群と周縁光の焦点との距離をＯｃ、第１サブレンズ群と第２サブレンズ群との距離をＭｃ、第２サブレンズ群と第３サブレンズ群との距離をＮｃとしたときに、
｜Ｌｂ−Ｌａ｜＞｜Ｏｂ−Ｏａ｜
｜Ｌｃ−Ｌａ｜＜｜Ｏｃ−Ｏａ｜
Ｍｂ−Ｍａ＜Ｍａ−Ｍｃ
Ｎｂ−Ｎａ＜Ｎａ−Ｎｃ
｜Ｌｃ−Ｌａ｜＜｜Ｌｂ−Ｌａ｜
｜Ｏｂ−Ｏａ｜＜｜Ｏｃ−Ｏａ｜
を満足することを特徴とする投写型画像表示装置。
【請求項３】
前記第１レンズ群を構成するレンズのうち、少なくとも２つのレンズの光軸方向の位置を調整することにより、前記投写光学系により形成される像面の曲率が、スクリーンの形状に合わせて変化することを特徴とする請求項２に記載の投写型画像表示装置。
【請求項４】
映像光のうち、前記表示デバイスと前記投写光学系の光軸との交点から出射された光を軸上光とし、前記表示デバイスの周縁から出射された光を周縁光とし、
前記像面が平面となる場合に、前記第２レンズ群から出射される前記軸上光の収束角をｕ３ａ、前記第２レンズ群から出射される前記周縁光の収束角をｖ３ａとし、
前記像面が前記投写光学系側に凹となる場合に、前記第２レンズ群から出射される前記軸上光の収束角をｕ３ｂ、前記第２レンズ群から出射される前記周縁光の収束角をｖ３ｂとし、
前記像面が前記投写光学系側に凸となる場合に、前記第２レンズ群から出射される前記軸上光の収束角をｕ３ｃ、前記第２レンズ群から出射される前記周縁光の収束角をｖ３ｃとしたときに、
│ｕ３ｂ−ｕ３ａ│＞│ｖ３ｂ−ｖ３ａ│
│ｕ３ｃ−ｕ３ａ│＜│ｖ３ｃ−ｖ３ａ│
を満足することを特徴とする請求項２に記載の投写型画像表示装置。
【請求項５】
前記表示デバイスによって矩形形状の映像光が生成された場合であって、前記像面が前記投写光学系側に凹および凸となる場合に、スクリーン上に投影される画像の輪郭形状がいずれも、前記像面が平面である場合にスクリーン上に投影された画像の輪郭形状に内接するように、前記第１レンズ群および前記第２レンズ群を構成する各レンズのうち少なくとも１つのレンズの光軸方向の位置を調整することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の投写型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面、曲面等に映像を表示可能な投写型画像表示装置と、その投写光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像表示装置の分野では、従来より、高臨場感を得るために曲面スクリーンに映像を投影することが研究されている。また、近年、車載用の画像表示装置では、曲面主体の車内インテリアにマッチする曲面表示が可能な画像表示装置が求められている。【０００３】
一方、液晶や有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を用いた画像表示装置は、製造上の制約から、円筒面以外の曲面に映像を表示することは難しい。これに対し、投写型の画像表示装置は、円筒面以外の曲面にも映像を表示することができるため、車内インテリアのデザイン自由度を格段に向上できる点で有利である。【０００４】
例えば、特許文献１には、２次元の物体像を半球面に投影する投影装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３３０３５３号公報（図１および図１５参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された投影装置では、スクリーンの曲面形状が、半球面に対して焦点深度の範囲内に限られる。そのため、要求されるスクリーン形状が変化すると、そのスクリーン形状に応じた専用の投影装置がその都度必要となり、汎用性に欠ける。【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、様々なスクリーン形状に対応することが可能な投写型画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る投写型画像表示装置は、映像光を生成する表示デバイスと、表示デバイスによって生成された映像光をスクリーンに拡大投写する投写光学系とを備える。投写光学系は、１個以上のレンズを有し全体として正のパワーを有する第１レンズ群と、第１レンズ群のスクリーン側に、第１レンズ群との間に可変の空気間隔を隔てて配置され、１個以上のレンズを有し全体として負のパワーを有する第２レンズ群とから構成される。第１レンズ群は、投写光学系の光軸方向に移動しないレンズ群である。第２レンズ群は、表示デバイス側から順に、第１レンズおよび第２レンズを有する。第１レンズは第２レンズ群において最も表示デバイス側のレンズである。第１レンズおよび第２レンズはいずれも負のパワーを有する。映像光のうち、表示デバイスと投写光学系の光軸との交点から出射された光を軸上光とし、表示デバイスの周縁から出射された光を周縁光とする。投写光学系により形成される像面が平面となるときの第１レンズおよび第２レンズの光軸方向の位置を基準として、第１レンズを表示デバイスに接近させ、第２レンズを表示デバイスから離間させることにより、周縁光の焦点位置が軸上光の焦点位置よりも光軸方向において投写光学系に接近して、像面が投写光学系側に凹となる。像面が平面となるときの第１レンズおよび第２レンズの光軸方向の位置を基準として、第１レンズを表示デバイスから離間させ、第２レンズを表示デバイスに接近させることにより、軸上光の焦点位置が周縁光の焦点位置よりも光軸方向において投写光学系に接近して、像面が投写光学系側に凸となる。これにより、投写光学系により形成される像面の曲率が変化する。像面が投写光学系側に凹となる場合に、第１レンズに入射する軸上光の収束角をｕ１ｂ、第１レンズから出射される軸上光の収束角をｕ２ｂ、第２レンズから出射される軸上光の収束角をｕ３ｂとし、さらに、第１レンズに入射する周縁光の収束角をｖ１ｂ、第１レンズから出射される周縁光の収束角をｖ２ｂ、第２レンズから出射される周縁光の収束角をｖ３ｂとし、像面が投写光学系側に凸となる場合に、第１レンズに入射する軸上光の収束角をｕ１ｃ、第１レンズから出射される軸上光の収束角をｕ２ｃ、第２レンズから出射される軸上光の収束角をｕ３ｃとし、さらに、第１レンズに入射する周縁光の収束角をｖ１ｃ、第１レンズから出射される周縁光の収束角をｖ２ｃ、第２レンズから出射される周縁光の収束角をｖ３ｃとしたときに、
ｕ２ｃ＞ｕ２ｂ
ｕ３ｃ＞ｕ３ｂ
ｖ２ｃ＞ｖ２ｂ
ｖ３ｃ＞ｖ３ｂ
ｕ１ｂ−ｕ２ｂ＞ｖ１ｂ−ｖ２ｂ
ｕ１ｃ−ｕ２ｃ＞ｖ１ｃ−ｖ２ｃ
（ｕ１ｃ−ｕ２ｃ）−（ｖ１ｃ−ｖ２ｃ）＞（ｕ１ｂ−ｕ２ｂ）−（ｖ１ｂ−ｖ２ｂ）
（ｖ２ｃ−ｖ３ｃ）−（ｕ２ｃ−ｕ３ｃ）＞（ｖ２ｂ−ｖ３ｂ）−（ｕ２ｂ−ｕ３ｂ）
を満足する。
【０００９】
本発明に係る投写型画像表示装置は、また、映像光を生成する表示デバイスと、表示デバイスによって生成された映像光を拡大投写する投写光学系と、拡大投写された映像光を表示する曲面形状を有するスクリーンとを備える。投写光学系は、１個以上のレンズを有し全体として正のパワーを有する第１レンズ群と、第１レンズ群のスクリーン側に、投写光学系において最も大きな空気間隔を隔てて配置され、１個以上のレンズを有し全体として負のパワーを有する第２レンズ群とから構成される。第１レンズ群および第２レンズ群を構成する各レンズのうち少なくとも１つのレンズの光軸方向の位置を調整することにより、投写光学系により形成される像面の曲率がスクリーンの曲面形状に対応して変化する。像面が投写光学系側に凹となる場合の軸上光の集光位置は、像面が平面である場合の軸上光の集光位置に対して、第２レンズ群と反対側に存在し、像面が投写光学系側に凸となる場合の軸上光の集光位置は、像面が平面である場合の軸上光の集光位置に対して、第２レンズ群と同じ側に存在する。表示デバイス上の各点から出射された光は、焦点深度内でスクリーン面と交わる。第１レンズ群は、表示デバイス側からスクリーン側に向かって順に、正のパワーを有する第１サブレンズ群と、負のパワーを有する第２サブレンズ群と、正のパワーを有する第３サブレンズ群と、正のパワーを有するもう一つのサブレンズ群とから構成される。少なくとも第３サブレンズ群は、光軸方向の位置調整が可能である。像面が平面となる場合に、第２レンズ群と軸上光の焦点との距離をＬａ、第２レンズ群と周縁光の焦点との距離をＯａ、第１サブレンズ群と第２サブレンズ群との距離をＭａ、第２サブレンズ群と第３サブレンズ群との距離をＮａとし、像面が凹面となる場合に、第２レンズ群と軸上光の焦点との距離をＬｂ、第２レンズ群と周縁光の焦点との距離をＯｂ、第１サブレンズ群と第２サブレンズ群との距離をＭｂ、第２サブレンズ群と第３サブレンズ群との距離をＮｂとし、像面が凸面となる場合に、第２レンズ群と軸上光の焦点との距離をＬｃ、第２レンズ群と周縁光の焦点との距離をＯｃ、第１サブレンズ群と第２サブレンズ群との距離をＭｃ、第２サブレンズ群と第３サブレンズ群との距離をＮｃとしたときに、
｜Ｌｂ−Ｌａ｜＞｜Ｏｂ−Ｏａ｜
｜Ｌｃ−Ｌａ｜＜｜Ｏｃ−Ｏａ｜
Ｍｂ−Ｍａ＜Ｍａ−Ｍｃ
Ｎｂ−Ｎａ＜Ｎａ−Ｎｃ
｜Ｌｃ−Ｌａ｜＜｜Ｌｂ−Ｌａ｜
｜Ｏｂ−Ｏａ｜＜｜Ｏｃ−Ｏａ｜
を満足する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、様々なスクリーン形状に対応可能な投写光学系および投写型画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る投写型画像表示装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る投写光学系が、平面形状（ａ）、凹面形状（ｂ）および凸面形状（ｃ）のスクリーンに映像光を投影する動作を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る投写光学系を適用した車載用の投写型画像表示装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る投写型画像表示装置の構成を示す図である。
【図５】実施の形態２に係る投写光学系が、平面形状（ａ）、凹面形状（ｂ）および凸面形状（ｃ）のスクリーンに映像光を投影する動作を示す図である。
【図６】実施の形態２における軸上光の集光状態を示す図である。
【図７】実施の形態２における周縁光の集光状態を示す図である。
【図８】軸上光の集光点、許容錯乱円および焦点深度の関係を模式的に示す図（ａ）、および、周縁光の集光点、許容錯乱円および焦点深度の関係を模式的に示す図（ｂ）である。
【図９】焦点深度を説明する図である。
【図１０】焦点深度とスクリーン形状について説明する図である。
【図１１Ａ】実施の形態２において、スクリーンが平面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図１１Ｂ】実施の形態２において、スクリーンが凹面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図１１Ｃ】実施の形態２において、スクリーンが凸面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図１２】実施の形態１に対する参考例におけるスポットダイアグラムを示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る投写型画像表示装置の構成を示す図である。
【図１４】実施の形態３に係る投写光学系が、平面形状（ａ）、凹面形状（ｂ）および凸面形状（ｃ）のスクリーンに映像光を投影する動作を示す図である。
【図１５】実施の形態３における軸上光の集光状態を示す図である。
【図１６】実施の形態３における周縁光の集光状態を示す図である。
【図１７】実施の形態３に係る投写光学系が、平面形状、凹面形状および凸面形状のスクリーンに映像光を投影する動作を重ねて示した図である。
【図１８Ａ】実施の形態３において、スクリーンが平面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図１８Ｂ】実施の形態３において、スクリーンが凹面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図１８Ｃ】実施の形態３において、スクリーンが凸面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態４に係る投写型画像表示装置の構成を示す図である。
【図２０】実施の形態４に係る投写光学系が、平面形状（ａ）、凹面形状（ｂ）および凸面形状（ｃ）のスクリーンに映像光を投影する動作を示す図である。
【図２１】スクリーン上の投写画像の歪曲を示す参考図である。
【図２２】実施の形態４における軸上光の集光状態を示す図（ａ）および参考図（ｂ）である。
【図２３】実施の形態４における軸上光の集光状態を示す図（ａ）および参考図（ｂ）である。
【図２４】実施の形態４における周縁光の集光状態を示す図（ａ）および参考図（ｂ）である。
【図２５】実施の形態４における周縁光の集光状態を示す図（ａ）および参考図（ｂ）である。
【図２６】実施の形態４に係る投写光学系が、平面形状、凹面形状および凸面形状のスクリーンに映像光を投影する動作を重ねて示した図である。
【図２７】実施の形態４におけるスクリーン上の投写画像の歪曲を示す図である。
【図２８Ａ】実施の形態４において、スクリーンが平面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図２８Ｂ】実施の形態４において、スクリーンが凹面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図２８Ｃ】実施の形態４において、スクリーンが凸面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図２９】本発明の実施の形態５に係る投写型画像表示装置の構成を示す図である。
【図３０】実施の形態５に係る投写光学系が、平面形状（ａ）、凹面形状（ｂ）および凸面形状（ｃ）のスクリーンに映像光を投影する動作を示す図である。
【図３１】実施の形態５における軸上光の集光状態を示す図（ａ）、（ｂ）である。
【図３２】実施の形態５における周縁光の集光状態を示す図（ａ）、（ｂ）である。
【図３３】実施の形態５におけるスクリーン上の投写画像の歪曲を示す図である。
【図３４】実施の形態５に係る投写光学系が、平面形状、凹面形状および凸面形状のスクリーンに映像光を投影する動作を重ねて示した図である。
【図３５Ａ】実施の形態５において、スクリーンが平面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図３５Ｂ】実施の形態５において、スクリーンが凹面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【図３５Ｃ】実施の形態５において、スクリーンが凸面形状である場合のスポットダイアグラムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における投写型画像表示装置１０の構成を示す図である。図１に示す投写型画像表示装置１０は、光を出射する照明光学系１０１と、照明光学系１０１から出射された光を受けて映像光を出射する表示デバイス３と、表示デバイス３から出射された映像光をスクリーン５に拡大投写（投影）する投写光学系１００とを有している。
【００１５】
照明光学系１０１は、光源６と、光源６から出射された光の強度分布を光軸に直交する断面内で均一化する光均一化素子７と、光均一化素子７から出射された光を表示デバイス３に導く照明光学素子（リレー光学素子）８とを有している。
【００１６】
光源６は、例えば、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）またはレーザー等で構成される。光均一化素子７は、例えば、角柱状のロッドインテグレーター、中空のライトパイプまたはフライアイインテグレーター等で構成される。照明光学素子８は、光均一化素子７により強度分布が均一化された光を、所定の角度と面積で表示デバイス３に照射するものであり、例えばレンズまたはミラー等で構成される。
【００１７】
表示デバイス３は、例えば、ＤＬＰ（デジタル・ライト・プロセッシング）チップ、透過型液晶または反射型液晶等で構成される。
【００１８】
投写光学系１００は、全体として正のパワーを有する第１レンズ群１と、全体として負のパワーを有する第２レンズ群２とを備えている。符号４は、投写光学系１００の光軸を示している。この光軸４は、投写型画像表示装置１０の全体の光軸を規定している。ここでは、投写光学系１００は、表示デバイス３側に略テレセントリックに構成されている。
【００１９】
第１レンズ群１は、それぞれ正のパワーを有するレンズ１１およびレンズ１２を備えている。第２レンズ群２は、それぞれ負のパワーを有するレンズ２１（第１レンズ）およびレンズ２２（第２レンズ）を備えている。レンズ１１とレンズ１２の間には、瞳Ｐを有している。
【００２０】
第２群レンズ２のレンズ２１およびレンズ２２は、光軸方向（すなわち光軸４の方向）にそれぞれ移動可能に構成されている。なお、「移動可能」とは、レンズ２１およびレンズ２２が、それぞれ光軸方向に位置調節が可能であることを言う。レンズ２１およびレンズ２２は、後述するように、所望の像面を形成するようにそれぞれの位置が調整され、位置決めされる。
【００２１】
スクリーン５は、例えば、投写光学系１００から投写された映像光を観測者の方向に偏向させるフレネルスクリーンと、例えば半円柱レンズを多数配列した視野角を広げるためのレンチキュラーレンズとを組み合わせたものである。なお、スクリーン５のサイズは、例えば１０インチ（２２１ｍｍ×１２５ｍｍ）〜２０インチ（４４３ｍｍ×２４９ｍｍ）が考えられるが、これに限定されるものではない。
【００２２】
光源６から出射された光は、光均一化素子７によって光強度分布が均一化されると共に、表示デバイス３の形状に合わせてビーム形状が整形された照明光となり、照明光学素子８を経て表示デバイス３に照射される。表示デバイス３に照射された光は、表示デバイス３で空間変調されることにより映像光となる。表示デバイス３によって生成された映像光は、投写光学系１００により拡大投写され、スクリーン５に画像が表示される。
【００２３】
なお、表示デバイス３としてＤＬＰチップを用いる場合には、表示デバイス３を照明する照明光と表示デバイス３で生成された映像光との光路を分離するために、表示デバイス３とレンズ１１の間に全反射プリズムを配置してもよい。また、表示デバイス３として反射型液晶を用いる場合には、照明光と映像光の光路を分離するために、例えば、表示デバイス３とレンズ１１の間に、偏光プリズムやワイヤーグリッド偏光板を配置してもよい。また、３つの表示デバイス３を用い、それぞれの表示デバイス３で生成した映像光をＸプリズム（ダイクロイックプリズム）で合成する、３板式を採用することもできる。
【００２４】
投写型画像表示装置に用いられる投写光学系は、一般に、投写距離を短縮するため広画角が求められる。そこで、投写光学系１００は、表示デバイス３側から順に、表示デバイス３からの映像光を収束させるための正のパワーを有する第１レンズ群１と、画角を拡大するための負のパワーを有する第２レンズ群２を配置している。
【００２５】
表示デバイス３で生成された映像光は、正のパワーを持つレンズ１１により屈折・収束され、瞳Ｐが形成される。瞳Ｐから広がった光は、正のパワーを持つレンズ１２により屈折・収束される。レンズ１２からの光は、第２レンズ群２のレンズ２１およびレンズ２２により大きく拡大される。広角での歪曲収差を補正するために、光軸４からの光線高の大きいレンズ２２を非球面形状とすることが望ましい。
【００２６】
図２は、投写光学系１００の作用を説明するための図である。図２（ａ）は、表示デバイス３からの映像光を平面形状のスクリーン５１に投影する場合を示す。図２（ｂ）は、表示デバイス３からの映像光を、投写光学系１００側に凹面形状のスクリーン５２に投影する場合を示す。図２（ｃ）は、表示デバイス３からの映像光を、投写光学系１００側に凸面形状のスクリーン５３に投影する場合を示す。
【００２７】
本実施の形態では、スクリーン５の形状（平面、凹面、凸面）に応じて、第２レンズ群２のレンズ２１およびレンズ２２のそれぞれの光軸方向の位置を調整する。そのため、図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）において、レンズ形状は全て同一であるが、レンズ１２とレンズ２１との距離（Ａａ，Ａｂ，Ａｃ）、および、レンズ２１とレンズ２２との距離（Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ）が変化している。
【００２８】
図２（ａ）において、表示デバイス３と光軸４との交点から出射した光（軸上光と称する）が、第１レンズ群１により屈折された後、第２レンズ群２のレンズ２１に入射する際の広がり角をｕ１ａとし、レンズ２１から出射される際の広がり角（レンズ２２に入射する際の広がり角に等しい）をｕ２ａとする。さらに、レンズ２２から出射される際の広がり角をｕ３ａとする。
【００２９】
また、図２（ａ）において、表示デバイス３の周縁から出射した光（周縁光と称する）が、第１レンズ群１により屈折された後、レンズ２１に入射する際の広がり角をｖ１ａとし、レンズ２１から出射される際の広がり角（レンズ２２に入射する際の広がり角に等しい）をｖ２ａとする。さらに、レンズ２２から出射される際の広がり角をｖ３ａとする。
【００３０】
なお、図から明らかなように、軸上光および周縁光は、第１レンズ群１を透過した後は、いずれも収束光となっている。収束光の「広がり角」とは、集光スポット側から見た広がり角を意味する。また、収束光の広がり角は、「収束角」と称する場合もある。
【００３１】
同様に、図２（ｂ）において、軸上光がレンズ２１に入射する際の広がり角をｕ１ｂとし、レンズ２１から出射される際の広がり角をｕ２ｂとし、レンズ２２から出射される際の広がり角をｕ３ｂとする。また、周縁光がレンズ２１に入射する際の広がり角をｖ１ｂとし、レンズ２１から出射される際の広がり角をｖ２ｂとし、レンズ２２から出射される際の広がり角をｖ３ｂとする。
【００３２】
同様に、図２（ｃ）において、軸上光がレンズ２１に入射する際の広がり角をｕ１ｃとし、レンズ２１から出射される際の広がり角をｕ２ｃとし、レンズ２２から出射される際の広がり角をｕ３ｃとする。また、周縁光がレンズ２１に入射する際の広がり角をｖ１ｃとし、レンズ２１から出射される際の広がり角をｖ２ｃとし、レンズ２２から出射される際の広がり角をｖ３ｃとする。
【００３３】
第１レンズ群１（レンズ１１，１２）は移動しないため、レンズ１２からレンズ２１に入射する光の広がり角は、図２（ａ），（ｂ）および（ｃ）とも同じ（すなわち、ｕ１ａ＝ｕ１ｂ＝ｕ１ｃ、ｖ１ａ＝ｖ１ｂ＝ｖ１ｃ）である。
【００３４】
図２（ａ）〜図２（ｃ）において、レンズ１２とレンズ２１との距離Ａａ，Ａｂ，Ａｃ、および、レンズ２１とレンズ２２との距離Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃは、以下の式（１）および（２）を満足する。
Ａｃ＞Ａａ＞Ａｂ  ・・・（１）
Ｂｂ＞Ｂａ＞Ｂｃ  ・・・（２）
【００３５】
また、軸上光の広がり角ｕ１ａ，ｕ１ｂ，ｕ１ｃ，ｕ２ａ，ｕ２ｂ，ｕ２ｃ，ｕ３ａ，ｕ３ｂ，ｕ３ｃおよび周縁光の広がり角ｖ１ａ，ｖ１ｂ，ｖ１ｃ，ｖ２ａ，ｖ２ｂ，ｖ２ｃ，ｖ３ａ，ｖ３ｂ，ｖ３ｃは、以下の式（３）〜（１４）を満足する。
ｕ１ａ＝ｕ１ｂ＝ｕ１ｃ  ・・・（３）
ｕ２ｃ＞ｕ２ａ＞ｕ２ｂ  ・・・（４）
ｕ３ｃ＞ｕ３ａ＞ｕ３ｂ  ・・・（５）
ｖ１ａ＝ｖ１ｂ＝ｖ１ｃ  ・・・（６）
ｖ２ｃ＞ｖ２ａ＞ｖ２ｂ  ・・・（７）
ｖ３ｃ＞ｖ３ａ＞ｖ３ｂ  ・・・（８）
ｕ１ａ−ｕ２ａ＞ｖ１ａ−ｖ２ａ  ・・・（９）
ｕ１ｂ−ｕ２ｂ＞ｖ１ｂ−ｖ２ｂ  ・・・（１０）
ｕ１ｃ−ｕ２ｃ＞ｖ１ｃ−ｖ２ｃ  ・・・（１１）
（ｕ１ｃ−ｕ２ｃ）−（ｖ１ｃ−ｖ２ｃ）＞（ｕ１ａ−ｕ２ａ）−（ｖ１ａ−ｖ２ａ）
＞（ｕ１ｂ−ｕ２ｂ）−（ｖ１ｂ−ｖ２ｂ）  ・・・（１２）
（ｖ２ｃ−ｖ３ｃ）−（ｕ２ｃ−ｕ３ｃ）＞（ｖ２ａ−ｖ３ａ）−（ｕ２ａ−ｕ３ａ）
＞（ｖ２ｂ−ｖ３ｂ）−（ｕ２ｂ−ｕ３ｂ）  ・・・（１３）
（ｖ１ｃ−ｖ３ｃ）−（ｕ１ｃ−ｕ３ｃ）＞（ｖ１ａ−ｖ３ａ）−（ｕ１ａ−ｕ３ａ）
＞（ｖ１ｂ−ｖ３ｂ）−（ｕ１ｂ−ｕ３ｂ）  ・・・（１４）
【００３６】
平面形状のスクリーン５１に映像光を投写する場合（図２（ａ））を基準とすると、凹面形状のスクリーン５２に映像光を投写する場合（図２（ｂ））には、レンズ２１は、よりレンズ１２に近い位置に配置される。逆に、凸面形状のスクリーン５３に映像光を投写する場合（図２（ｃ））には、レンズ２１は、よりレンズ１２から離れた位置に配置される（式（１））。
【００３７】
つまり、レンズ２１は、図２（ａ）の状態から図２（ｂ）の状態に変化する過程で、表示デバイス３側に移動し、図２（ａ）の状態から図２（ｃ）の状態に変化する過程で、スクリーン５側に移動している。
【００３８】
また、レンズ２２は、図２（ａ）を基準として、図２（ｂ）では、よりレンズ２１から離れた位置に配置される。逆に、図２（ｃ）では、レンズ２２は、よりレンズ２１に近い位置に配置される（式（２））。
【００３９】
つまり、レンズ２２は、図２（ａ）の状態から図２（ｂ）の状態に変化する過程で、スクリーン５側に移動し、図２（ａ）の状態から図２（ｃ）の状態に変化する過程で、表示デバイス３側に移動している。
【００４０】
図２（ａ）〜（ｃ）において、軸上光および周縁光とも、負のパワーを有するレンズ２１およびレンズ２２を順に透過するにつれて、広がり角が次第に小さくなっている。これにより、画角を大きく拡大することができ、画面サイズに対する投写距離の比を小さくすることができる。
【００４１】
ここで、レンズに入射する光の広がり角と出射する光の広がり角との差を、当該レンズの発散パワーと定義する。レンズ２１の発散パワーは、軸上光ほど大きく、周縁光ほど小さい（式（９）〜（１１））。以下では、投写光学系１００により形成される像面の形状について説明する。
【００４２】
まず、図２（ａ）では、レンズ２１，２２を透過した軸上光および周縁光は、平面形状のスクリーン５１上に結像する。
【００４３】
図２（ｂ）では、図２（ａ）と比較して、レンズ２１が、よりレンズ１２に近い位置にあるため、周縁光はより光軸４に近い位置でレンズ２１に入射する。そのため、レンズ２１の発散パワーは、図２（ａ）と比較して、軸上光よりも周縁光の方が相対的により大きくなる。その結果、図２（ｂ）では、レンズ２１の発散パワーの軸上光と周縁光との差は、図２（ａ）と比較して小さくなる（式（１２））。さらに、図２（ｂ）では、図２（ａ）と比較して、レンズ２２が、よりレンズ２１から離れた位置にあるため、周縁光はより光軸４から離れた位置でレンズ２２に入射する。
【００４４】
レンズ２２は、図２（ａ）と比較して、図２（ｂ）の方が、周縁光の発散パワーが小さくなるような形状を有している。また、レンズ２２の発散パワーは、軸上光の方が周縁光よりも小さいが、図２（ａ）と図２（ｂ）との間ではほとんど差がない。従って、この図２（ｂ）では、図２（ａ）と比較して、レンズ２２の発散パワーの軸上光と周縁光との差が小さくなる（式（１３））。
【００４５】
以上から、レンズ２１およびレンズ２２を合わせた発散パワーは、図２（ａ）よりも図２（ｂ）の方が、軸上光と周縁光との差が小さくなる（式（１４））。すなわち、図２（ｂ）では、図２（ａ）と比較して、軸上光の焦点位置に対する周縁光の焦点位置が、レンズ２２側（図中左側）にシフトする。その結果、表示デバイス３の投写光学系１００による像面は、全体として、投写光学系１００に対して凹面形状となる。
【００４６】
このように、レンズ２１，２２を図２（ｂ）に示すように移動させることにより、投写光学系１００によって形成される像面が、平面から凹面に変化する。言い換えると、投写光学系１００から出射された映像光は、その周縁光の焦点位置が、軸上光の焦点位置よりも（光軸４上において）投写光学系１００側に接近している。
【００４７】
なお、発散パワーが小さくなっても、レンズ２２に入射する光のスポットサイズ（入射光のレンズ入射面での断面積）が大きくなれば、像面がレンズ２２から離れた位置（図中右側）に形成されることも考えられる。しかしながら、図２（ｂ）では、図２（ａ）よりもレンズ２２がレンズ２１から離れているため、レンズ２１から出射されてレンズ２２に入射する光のスポットサイズは、図２（ｂ）の方が小さくなり、従って像面は、よりレンズ２２の近く（図中左側）に形成される。
【００４８】
また、図２（ｃ）では、図２（ａ）と比較して、レンズ２１が、よりレンズ１２から離れた位置にあるため、周縁光はより光軸４から離れた位置でレンズ２１に入射する。そのため、レンズ２１の発散パワーは、図２（ａ）と比較して、軸上光よりも周縁光の方が相対的により小さくなる。その結果、レンズ２１の発散パワーの軸上光と周縁光との差は、図２（ａ）と比較して大きくなる（式（１２））。さらに、図２（ｃ）では、図２（ａ）と比較して、レンズ２２が、よりレンズ２１に近い位置にあるため、周縁光はより光軸４に近い位置でレンズ２２に入射する。
【００４９】
レンズ２２は、図２（ａ）と比較して、図２（ｃ）の方が、周縁光の発散パワーが大きくなるような形状を有している。また、上述したように、レンズ２２の発散パワーは、軸上光の方が周縁光よりも小さいが、図２（ａ）と図２（ｃ）との間ではほとんど差がない。従って、この図２（ｃ）では、図２（ａ）と比較して、レンズ２２の発散パワーの軸上光と周縁光との差が大きくなる（式（１３））。
【００５０】
以上から、レンズ２１およびレンズ２２を合わせた発散パワーは、図２（ａ）よりも図２（ｃ）の方が、軸上光と周縁光との差が大きくなる（式（１４））。すなわち、図２（ｃ）では、図２（ａ）と比較して、軸上光の焦点位置に対する周縁光の焦点位置が、レンズ２２から離れる側（図中右側）にシフトする。その結果、表示デバイス３の投写光学系１００による像面は、全体として、投写光学系１００に対して凸面形状となる。
【００５１】
このように、レンズ２１，２２を、図２（ｃ）に示すように移動させることにより、投写光学系１００によって形成される像面が、平面から凸面に変化する。言い換えると、投写光学系１００から出射された映像光は、その軸上光の焦点位置が、周縁光の焦点位置よりも（光軸４上において）投写光学系１００側に接近している。
【００５２】
以上のように構成されているため、レンズ２１，２２の光軸方向の位置を調整することにより、図２（ａ）〜（ｃ）に示したように所望の曲率の像面を得ることができ、様々なスクリーン形状に対応することができる。
【００５３】
すなわち、投写型画像表示装置１０が配置される周囲の形状等を考慮してスクリーン形状を決定し、当該スクリーン形状に対応した形状（曲率）の像面を形成するように、レンズ２１，２２の位置を調整し、レンズ２１，２２を位置決め（固定）することができる。これにより、要求されたスクリーン形状の変化にも臨機応変に対応することができ、汎用性が向上する。
【００５４】
なお、ここでは、レンズ２１，２２は、光軸４に沿ってそれぞれ位置調整が可能に構成されていると説明したが、レンズ２１，２２をそれぞれ光軸方向に移動させる駆動機構を設けてもよい。
【００５５】
また、ここでは、レンズ２１，２２は、それぞれ一枚のレンズで構成しているが、これに限らず、それぞれ複数のレンズで構成してもよい。その場合、当該複数のレンズには正のパワーを有するレンズが含まれていてもよい。また、レンズ２１，２２が複数のレンズで構成されている場合、レンズ２１に入射してからレンズ２１から出射されるまでの間、あるいはレンズ２２に入射してからレンズ２２から出射されるまでの間に、当該複数のレンズの作用により、軸上光あるいは周縁光が部分的に発散してもよい。
【００５６】
数値実施例．
以下、本実施の形態の投写光学系１００の数値実施例について説明する。表１には、投写光学系１００の光学データを示す。
【００５７】
【表１】
0005615449.tif 000002
【００５８】
表１に示した光学データにおける面番号Ｓｉの欄には、図２（ａ）に示した符号Ｓｉに対応させて、最も物体側（表示デバイス３側）にある構成要素の面を１番目として、像側に向かって順次増加するように符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜９）の面の番号を示している。面番号Ｓｉの欄では、表示デバイス３をＯＢＪとし、スクリーン５をＩＭＡとする。また、面番号Ｓ３は、瞳Ｐを表わしている。
【００５９】
また、表１の曲率半径Ｒｉの欄には、物体側からｉ番目の面の曲率半径の値を示す。面間隔Ｄｉの欄には、物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示す。曲率半径Ｒｉおよび面間隔Ｄｉの値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。Ｎｄ，νｄの欄には、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する屈折率およびアッベ数の値をそれぞれ示す。
【００６０】
表１の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）における光学データに相当する。
【００６１】
また、表１において、面番号の右上に付された記号「＊」は、そのレンズ面が非球面形状であることを示す。ここでは、第１レンズ群１のレンズ１１の両面（Ｓ１，Ｓ２）およびレンズ１２の両面（Ｓ４，Ｓ５）、第２レンズ群２のレンズ２２の両面（Ｓ８，Ｓ９）が非球面形状となっている。表２に、非球面データを示す。
【００６２】
【表２】
0005615449.tif 000003
【００６３】
表２に示す非球面データとしては、以下の式（１５）によって表される非球面形状の式における各係数ｋ，Ａｉの値を記す。Ｚは、光軸から半径ｒ（ｍｍ）離れた位置での非球面サグ量（深さ：ｍｍ）である。
Ｚ１（ｒ）＝Ｃ・ｒ２／｛１＋（１−（１＋ｋ）・Ｃ２・ｒ２）１／２｝＋ΣＡｉ・ｒｉ
（ｉ＝１〜ｎ）・・・（１５）
但し、
ｋ：コーニック係数
Ｃ：面頂点での曲率
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
【００６４】
また、表２において、記号Ｅは、その次に続く数値が１０を底としたべき指数であることを示す。例えば、「１．０Ｅ−０３」は、「１．０×１０−３」を示す。
【００６５】
なお、表１および表２に示した光学データは、本実施の形態における投写光学系１００の機能を説明するためのものに過ぎない。例えば、ここでは非球面レンズを多用しているが、これを複数の球面レンズに置き換えることも可能である。また、単一の硝材を用いているのは、説明の便宜上単一波長を前提としているからであり、色収差等の諸収差を補正するために、屈折率やアッベ数の異なる種々の硝材を組み合わせてもよい。
【００６６】
表３は、表１および表２に示した投写光学系１００において、図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示した状態でのレンズ２１の入射光および出射光について、軸上光および周縁光の広がり角および発散パワーを示す。同様に、表４は、レンズ２２の入射光および出射光について、軸上光および周縁光の広がり角および発散パワーを示す。
【００６７】
表３および表４には、図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）で用いた光束の広がり角の符号をカッコ書で示している。
【００６８】
なお、表３および表４には記載していないが、表示デバイス３から出射される際の軸上光の広がり角は、軸上光、周縁光とも８．６°である。この値は、図２（ａ）〜（ｃ）に共通である。但し、前記の広がり角は、この値に限らず、光源の発散角や所望の輝度に合わせて設定することができる。また、表４の「両レンズ合わせた発散パワー」は、レンズ２１およびレンズ２２を合わせた発散パワーに相当する。
【００６９】
【表３】
0005615449.tif 000004
【００７０】
【表４】
0005615449.tif 000005
【００７１】
表３および表４から、上述した式（３）〜（１４）が満足されていることが理解されるであろう。
【００７２】
以上説明したように、実施の形態１の投写光学系１００は、レンズ２１，２２を移動させることにより、像面の曲率を変更する（すなわち、像面を、平面、凹面または凸面に変更する）ことができる。従って、所望のスクリーン形状に合った像面を得ることができる。また、このようにスクリーン形状に合った像面が得られるため、映像光の焦点ずれによる性能劣化を抑制することができる。
【００７３】
図３は、実施の形態１における投写型画像表示装置を、車載用の投写型画像表示装置に適用した例を示す。図３に示した例では、車両９０のダッシュボード９１の上部に、スクリーン５が配置されている。また、ダッシュボード９１に設けた凹部９２には、投写型画像表示装置１０（図１に示した光源６、光均一化素子７、照明光学素子８、表示デバイス３および投写光学系１００）が収容されている。運転席９３に座った運転者（乗員）Ｄは、スクリーン５に表示された画像情報を視認することができる。
【００７４】
上記の通り、投写光学系１００（図１〜図２）は、レンズ２１，２２の位置調整により、像面の曲率を変更することができるため、ダッシュボード９１の形状に合うスクリーン形状を得ることができる。ここでは、ダッシュボード９１の形状に合わせて、投写光学系１００側に凹面となるスクリーン形状（図２（ｂ）に示したスクリーン５２の形状）が選択されている。
【００７５】
図３に示した例はあくまで一例であり、例えば、後部座席の乗員が観賞できるように、車室９４の天井にスクリーン５を設置してもよいし、ヘッドアップディスプレイのようにフロントガラスに画像を投写してもよい。
【００７６】
また、上述した投写型画像表示装置を、車載用以外の投写型画像表示装置として用いてもよいことは言うまでもない。何れの場合も、投写光学系１００のレンズ２１，２２の位置を調整して像面の曲率を変更することによって、様々なスクリーン形状に対応することができる。
【００７７】
なお、実施の形態１における投写光学系１００は、表示デバイス３側に略テレセントリック（入射瞳が無限遠）に構成されているが、本発明は、このような投写光学系に限定されるものではない。例えば、表示デバイスに近いレンズ近傍に瞳が存在するノンテレセントリックな構成を採用してもよい。このように構成すれば、表示デバイスに近いレンズの外径を小さくすることができ、表示デバイス起因の回折光やその他の不要光が投写光学系に入射するのを防止し、コントラストを向上させることができる。
【００７８】
また、実施の形態１では、投写光学系１００の第２レンズ群２に属する２つのレンズ、すなわちレンズ２１，２２を移動（位置調整）することにより、像面の曲率を変化させるように構成したが、３つ以上のレンズを移動するようにしてもよい。
【００７９】
また、実施の形態１では、表示デバイス３と投写光学系１００の光軸との交点から出射された光を投写するものとしたが、このような構成に限らず、表示デバイスを、投写光学系の光軸との交点を有さない程度に大きくオフセットして配置してもよい。この場合には、表示デバイスから出射される光のうち、投写光学系の光軸に最も近い光を軸上光として、上述した実施の形態１と同様に考えることができる。
【００８０】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２における投写型画像表示装置２０の構成を示す図である。照明光学系（光源を含む）等は、実施の形態１（図１）と共通であるため、図示を省略する。図１に示した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付す。光路については、軸上光の光路と、周縁光の光路（すなわち、光軸４から最も距離の離れた表示デバイス３上の点を通り、投写画像の最周縁部に到達する光路）を示している。
【００８１】
投写型画像表示装置２０は、投写光学系２００を備える。投写光学系２００は、表示デバイス側（以下、縮小側と称する）からスクリーン５側（以下、拡大側と称する）に向かって、順に、正のパワーを有する第１レンズ群１と、負のパワーを有する第２レンズ群２とを備える。第１レンズ群１は、縮小側から順に、正のパワーを有するサブレンズ群１１と、正のパワーを有するサブレンズ群１２とを備える。サブレンズ群１１は、縮小側から順に、両凸レンズ２０１、両凸レンズ２０２、両凹レンズ２０３、両凸レンズ２０４、拡大側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ２０５、両凸レンズ２０６、および両凹レンズ２０７を備える。サブレンズ群１２は、縮小側から順に、拡大側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ２０８、両凸レンズ２０９を備える。第２レンズ群２は、両凹レンズ２１０，２１１および非球面レンズ２１２を備える。なお、図４において、符号３は、表示デバイス（ここではＤＬＰチップ）のカバーガラスの位置を示す。ＰＳは、表示デバイス３とレンズ１１との間に配置された全反射プリズムを示す。
【００８２】
図５は、投写光学系２００の作用を説明するための図である。図５（ａ）は、表示デバイス３からの映像光を平面形状のスクリーン５１に投影する場合を示す。図５（ｂ）は、表示デバイス３からの映像光を、投写光学系２００側に凹面形状のスクリーン５２に投影する場合を示す。図５（ｃ）は、表示デバイス３からの映像光を、投写光学系２００側に凸面形状のスクリーン５３に投影する場合を示す。
【００８３】
本実施の形態では、スクリーン５の形状（平面、凹面、凸面）に応じて、第２レンズ群２の光軸方向の位置を調整する。そのため、図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）において、レンズ形状は全て同一であるが、レンズ１２と第２レンズ群２との距離（Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ）、および、第２レンズ群２とスクリーン５１，５２，５３との距離（Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃ）が変化している。
【００８４】
図６は、光軸上の像面位置の変化を説明する図である。図６において、第１レンズ群１のサブレンズ群１２は、薄肉レンズとして模式的に表されている。２ａ，２ｂ，２ｃは、図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）の位置にある第２レンズ群２を、薄肉レンズとして模式的に表したものである。ｕ３ａ，ｕ３ｂ，ｕ３ｃは、軸上光が第２レンズ群２ａ，２ｂ，２ｃから出射される際のそれぞれの収束角である。Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃは、第２レンズ群２ａ，２ｂ，２ｃから出射される軸上光のそれぞれの集光点（すなわち光軸上の像面位置）である。
【００８５】
サブレンズ群１２と第２レンズ群２ａ，２ｂ，２ｃとの距離Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ、第２レンズ群２ａ，２ｂ，２ｃとスクリーン５との距離（すなわち第２レンズ群と軸上光の焦点との距離）Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃ、軸上光の収束角ｕ３ａ，ｕ３ｂ，ｕ３ｃは、以下の式（１６）〜（１８）を満足する。
Ｃｂ＜Ｃａ＜Ｃｃ・・・（１６）
Ｄｃ＜Ｄａ＜Ｄｂ・・・（１７）
ｕ３ｂ＜ｕ３ａ＜ｕ３ｃ・・・（１８）
【００８６】
図５（ｂ）のように像面が投写光学系２００側に凹となる場合、図５（ａ）と比較して、第２レンズ群２ｂがサブレンズ群１２に接近する方向に移動する（Ｃｂ＜Ｃａ）。その際、第２レンズ群２ｂに入射する軸上光は収束状態であるので、軸上光が第２レンズ群２ｂに入射する領域は、軸上光が第２レンズ群２ａに入射する領域よりも大きくなる。第２レンズ群２は、軸上光の入射する領域が大きいほど、より強い負パワーで屈折される（軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い負パワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図５（ａ）よりも強い負パワーで屈折される。その結果、軸上光の収束角はより小さくなり（ｕ３ｂ＜ｕ３ａ）、位置Ｆａと比較して、より第２レンズ群２ｂから離間した位置Ｆｂで集光する（Ｄａ＜Ｄｂ）。よって、図５（ａ）と比較して、光軸上の像面位置が第２レンズ群２ｂから離間する方向に移動する。
【００８７】
一方、図５（ｃ）のように像面が投写光学系２００側に凸となる場合、図５（ａ）と比較して、第２レンズ群２ｃがサブレンズ群１２から離間する方向に移動する（Ｃａ＜Ｃｃ）。その際、第２レンズ群に入射する軸上光は収束状態であるので、軸上光が第２レンズ群２ｃに入射する領域は、軸上光が第２レンズ群２ａに入射する領域よりも小さくなる。第２レンズ群２は、軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い負パワーで屈折される（軸上光の入射する領域が大きいほど、より強い負パワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図５（ａ）よりも弱い負パワーで屈折される。その結果、軸上光の収束角はより大きくなり（ｕ３ａ＜ｕ３ｃ）、位置Ｆａと比較して、より第２レンズ群２ｃに近い位置Ｆｃで集光する（Ｄｃ＜Ｄａ）。よって、図５（ａ）と比較して、光軸上の像面位置が第２レンズ群２ｃに接近する。
【００８８】
第２レンズ群２の横倍率は、縮小側から拡大側に向けて拡大倍率であり、近軸理論によると、縦倍率は横倍率の２乗に比例する。すなわち、第２レンズ群２の移動量に対して、像面位置の移動量は大きくなる。よって、光軸上の像面の位置は、縮小側から拡大側に向かってＦｃ，Ｆａ，Ｆｂの順となる（Ｄｃ＜Ｄａ＜Ｄｂ）。
【００８９】
図７は、画面周辺部の像面位置の変化を説明する図である。図６に示した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付している。ｖ３ａ，ｖ３ｂ，ｖ３ｃは、周縁光が第２レンズ群２ａ，２ｂ，２ｃから出射される際のそれぞれの収束角である。Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃは、第２レンズ群２ａ，２ｂ，２ｃから出射される周縁光のそれぞれの集光点（すなわち画面周辺部の像面位置）である。
【００９０】
第２レンズ群と周縁光の焦点との距離Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ、および、周縁光の収束角ｖ３ａ，ｖ３ｂ，ｖ３ｃは以下の式（１９）および（２０）を満足する。
Ｅｃ＜Ｅａ＜Ｅｂ・・・（１９）
ｖ３ｂ＜ｖ３ａ＜ｖ３ｃ・・・（２０）
【００９１】
図５（ｂ）のように像面が投写光学系２００側に凹となる場合、図５（ａ）と比較して、第２レンズ群２ｂがサブレンズ群１２に接近する方向に移動する（Ｃｂ＜Ｃａ）。その際、第２レンズ群２ｂに入射する周縁光は収束状態であるので、周縁光が第２レンズ群２ｂに入射する領域は、周縁光が第２レンズ群２ａに入射する領域よりも大きくなる。第２レンズ群２は、周縁光の入射する領域が大きいほど、より強い負パワーで屈折される（周縁光の入射する領域が小さいほど、より弱い負パワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図５（ａ）よりも強い負パワーで屈折される。その結果、周縁光の収束角はより小さくなり（ｖ３ｂ＜ｖ３ａ）、位置Ｇａに対して、より第２レンズ群２ｂから離間した位置Ｇｂで集光する（Ｅａ＜Ｅｂ）。よって、図５（ａ）と比較して、画面周辺部の像面位置が第２レンズ群２ｂから離間する。
【００９２】
一方、図５（ｃ）のように像面が投写光学系２００側に凸となる場合、図５（ａ）と比較して、第２レンズ群２ｃがサブレンズ群１２から離間する方向に移動する（Ｃａ＜Ｃｃ）。その際、第２レンズ群２ｃに入射する光は収束状態であるので、周縁光が第２レンズ群２ｃに入射する領域は、周縁光が第２レンズ群２ａに入射する領域よりも小さくなる。第２レンズ群２は、周縁光の入射する領域が小さいほど、より弱い負パワーで屈折される（周縁光の入射する領域が大きいほど、より強い負パワーで屈折される）よう構成されているので、周縁光は、図５（ａ）よりも弱い負パワーで屈折される。その結果、収束角はより大きくなり（ｖ３ａ＜ｖ３ｃ）、位置Ｇａに対して、より第２レンズ群２ｃに近い位置Ｇｃで光軸と交わる（Ｅｃ＜Ｅａ）。よって、図５（ａ）と比較して、画面周辺部の像面位置が第２レンズ群２ｃに接近する。
【００９３】
光軸上の像面の場合と同様の理由により、画面周辺部の像面の位置は、縮小側から拡大側に向かってＧｃ，Ｇａ，Ｇｂの順となる（Ｅｃ＜Ｅａ＜Ｅｂ）。
【００９４】
上記をより詳細に説明する。図７において、第２レンズ群２から出射された光の光軸と、周縁光の上側光線とのなす角（上側光線の出射角）を、それぞれｔ３ａ，ｔ３ｂ，ｔ３ｃとする。また、当該光軸と、周縁光の下側光線とのなす角（下側光線の出射角）を、それぞれｓ３ａ，ｓ３ｂ，ｓ３ｃとする（ｖ３ａ＝ｔ３ａ−ｓ３ａ、ｖ３ｂ＝ｔ３ｂ−ｓ３ｂ、ｖ３ｃ＝ｔ３ｃ−ｓ３ｃ）。第２レンズ群２ａに入射する周縁光の上側光線および下側光線の入射高（光軸から入射点での距離）をｈ３ａ，ｇ３ａとし、第２レンズ群２ｂに入射する周縁光の上側光線および下側光線の入射高をｈ３ｂ，ｇ３ｂとし、第２レンズ群２ｃに入射する周縁光の上側光線および下側光線の入射高をｈ３ｃ，ｇ３ｃとする。このとき、ｇ３ｃ＜ｇ３ａ＜ｇ３ｂおよびｈ３ｃ＜ｈ３ａ＜ｈ３ｂの関係が成り立つ。
【００９５】
第２レンズ群２は、周縁光線の上側光線および下側光線それぞれについて、図５（ａ）を基準として、入射高が大きくなるほど強い負パワーで、入射高が小さくなるほど弱い負パワーで屈折されるよう構成されている。すなわち、上側光線は、第２レンズ群２ｃよりも第２レンズ群２ａでより強い負パワーで屈折され、第２レンズ群２ａよりも第２レンズ群２ｂでより強い負パワーで屈折される。下側光線は、第２レンズ群２ｂよりも第２レンズ群２ａで、より強い負パワーで屈折され、第２レンズ群２ａよりも第２レンズ群２ｃで、より強い負パワーで屈折される。よって、周縁光の上側光線の出射角については、ｔ３ｃ＜ｔ３ａ＜ｔ３ｂ、周縁光の下側光線の出射角については、ｓ３ｂ＜ｓ３ａ＜ｓ３ｃを満足する。これにより、第２レンズ群２ａと比較すると、第２レンズ群２ｂは、より第２レンズ群から離間した位置に周縁光を集光し（Ｅａ＜Ｅｂ）、第２レンズ群２ｃは、より第２レンズ群に近い位置に周縁光を集光する（Ｅｃ＜Ｅａ）。
【００９６】
さらに、第２レンズ群２ａ，２ｂ，２ｃと軸上光の焦点との距離Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃ、第２レンズ群２ａ，２ｂ，２ｃと周縁光の焦点との距離Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ、軸上光の収束角ｕ３ａ，ｕ３ｂ，ｕ３ｃ、および周縁光の収束角ｖ３ａ，ｖ３ｂ，ｖ３ｃは、以下の式（２１）〜（２４）を満足する。
Ｄｂ−Ｄａ＞Ｅｂ−Ｅａ・・・（２１）
Ｄａ−Ｄｃ＞Ｅａ−Ｅｃ・・・（２２）
│ｕ３ｂ−ｕ３ａ│＞│ｖ３ｂ−ｖ３ａ│・・・（２３）
│ｕ３ｃ−ｕ３ａ│＞│ｖ３ｃ−ｖ３ａ│・・・（２４）
【００９７】
上述したように、第２レンズ群２は、軸上光の入射する領域が大きいほど、より強い負パワーで屈折される（軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い負パワーで屈折される）よう構成されている。また、第２レンズ群２は、周縁光の入射する領域が大きいほど、より強い負パワーで屈折される（周縁光の入射する領域が小さいほど、より弱い負パワーで屈折される）よう構成されている。
【００９８】
よって、図５（ｂ）のように像面が投写光学系２００側に凹となる場合には、図５（ａ）と比較すると、軸上光と周縁光はいずれも収束角は小さくなる。しかしながら、第２レンズ群２は、収束角の変化量が周縁光よりも軸上光において大きくなるように構成されている（│ｕ３ｂ−ｕ３ａ│＞│ｖ３ｂ−ｖ３ａ│）。よって、第２レンズ群２と焦点との距離の変化量は、周縁光よりも軸上光において大きくなる（Ｄｂ−Ｄａ＞Ｅｂ−Ｅａ）。
【００９９】
また、図５（ｃ）のように像面が投写光学系２００側に凸となる場合には、図５（ａ）と比較すると、軸上光と周縁光はいずれも収束角は大きくなる。しかしながら、第２レンズ群２は、収束角の変化量が周縁光よりも軸上光において大きくなるように構成されている（│ｕ３ｃ−ｕ３ａ│＞│ｖ３ｃ−ｖ３ａ│）。よって、第２レンズ群２と焦点との距離の変化量は、周縁光よりも軸上光において大きくなる（Ｄａ−Ｄｃ＞Ｅａ−Ｅｃ）。
【０１００】
集光位置とスクリーン形状について説明する。図８（ａ）は、軸上光の集光点、許容錯乱円および焦点深度の関係を模式的に示す図である。焦点深度とは、集光点を中心に、良好な像が形成される範囲をいい、集光点をはさんで一方の許容錯乱円から他方の許容錯乱円までの光軸上の距離をいう。また、集光点を外れると物体上の１点の像はぼやけて円として結像するが、その円を錯乱円といい、許容錯乱円とは、像のぼやけが許容できる最大の錯乱円をいう。一般には、集光点にスクリーン面を設定すれば最も鮮鋭度の高い像が得られる。しかし、必ずしも集光点にスクリーン面が一致していなくても、焦点深度内にスクリーン面が設定されていれば良好な結像性能が得られる。許容錯乱円は、スクリーン上の１画素のサイズや、どれくらいのぼやけ量が許容できるかにより決まる。
【０１０１】
図８（ｂ）は、周縁光の集光点、許容錯乱円および焦点深度の関係を模式的に示す図である。ここでは、スクリーンを平面（光軸に垂直な平面）と仮定しており、焦点深度は、許容錯乱円間の光軸に対して平行に測った距離としている。そのため、図８（ａ）では、スクリーンは光束と垂直に交わるが、図８（ｂ）では、スクリーンは光束と斜めに交わるため、集光点から同じ距離でも像のぼやけはより大きくなる。よって、図８（ａ）に対して図８（ｂ）の方が焦点深度は浅くなる。主光線（レンズの開口絞りの中心を通る光）と光軸のなす角度が大きいほど、像のぼやけはより大きくなり、焦点深度が浅くなる。すなわち、投写光学系の画角が大きくなるほど焦点深度は浅くなる。
【０１０２】
図９は、図８（ｂ）と同様、周縁光の集光点、許容錯乱円および焦点深度の関係を模式的に示す図である。ただし、図９ではスクリーンは曲面であり、主光線とスクリーン面とは直角に交わっている。集光点から主光線に沿った距離で考えると、集光点からの距離に対する像のぼやけは、図８（ａ）とほぼ同等である。しかしながら、主光線が光軸に対して傾きを持つため、光軸に沿った距離で考えると、集光点から同じ距離でも像のぼやけは、図８（ａ）より大きい。よって、図８（ａ）に対して図９の方が焦点深度は浅くなる。
【０１０３】
このように、スクリーンが光束と交わる角度の直角からのずれが大きいほど、すなわち、スクリーンが光束とより斜めに交わるほど、焦点深度は浅くなる。よって、画面周辺部ほど、スクリーン面形状に合わせて集光点の位置を正確に制御する必要がある。
【０１０４】
上記の説明では、スクリーンを投写光学系と光軸が一致した球面（の一部）としたが、スクリーンの形状は球面に限定されない。上記理由により、スクリーン面が各像点の焦点深度内で光束と交わるのであれば、例えば、非球面や自由曲面とすることができる。
【０１０５】
図１０は、スクリーンを自由曲面形状とした例である。図１０では、軸上光と周縁光に加えて、中間光（表示デバイス３上における軸上光の出射位置と周縁光の出射位置との間の位置から出射された光）の集光状態を示している。像面（集光点を連ねた面）は、図１０に破線で示す。像面自体は、図５（ｂ）で示すように投写光学系に対して凹面となっているが、スクリーン形状は、各像点の焦点深度内でスクリーン面が光束と交わるような自由曲面形状としている。像面自体は平面であっても、焦点深度内であればスクリーン面を曲面形状にできる。但し、画面周辺部での焦点深度は浅くなるため、画面周辺部でスクリーン形状の自由度は小さく、平面から大きく離れた曲面にすることはできない。一方、本実施の形態のように、像面自体をスクリーン面に合わせた曲面にすれば、スクリーンをより自由な形状にすることができる。
【０１０６】
数値実施例．
以下、図４および図５に示した本実施の形態の投写光学系２００の数値実施例について説明する。表５には、投写光学系２００の光学データを示す。表５の表記は、表１に準ずる。面番号Ｓ１６は、瞳Ｐを表している。表示デバイス３のサイズは、１４．５１５ｍｍ×８．１６５ｍｍである。縮小側のＦナンバーは２．５であり、像面が平面である場合の投写画像サイズは対角１５インチである。投影倍率は２２．８８倍であり、表示デバイスの１画素サイズを７．５６μｍとすると、スクリーン５に投影される１画素サイズは約０．１７ｍｍとなる。
【０１０７】
【表５】
0005615449.tif 000006
【０１０８】
表６に、非球面データを示す。表６の表記は、表２に準ずる。
【表６】
0005615449.tif 000007
【０１０９】
表７に、本実施の形態における各パラメータを示す。表７から、上述した式（１６）〜（２４）が満足されていることが理解されるであろう。
【０１１０】
【表７】
0005615449.tif 000008
【０１１１】
図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃに、スクリーン５が平面形状である場合、投写光学系２００に対して凹面形状である場合、および投写光学系２００に対して凸面形状である場合のそれぞれについて、スクリーン上のスポットダイアグラムを示す。ここでは、波長６３０ｎｍの赤色光、波長５３０ｎｍの緑色光、および波長４６０ｎｍの青色光を用いた。赤色光、緑色光および青色光の、スクリーン面での入射光量比は、３：６：１とした。
【０１１２】
図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃにおいて、縦軸には、表示デバイス３の表示面上の物点の座標を示す。ここでは、表示デバイス３の表示面において、光軸（Ｘ＝０，Ｙ＝０）から最大高さ（Ｘ＝０，Ｙ＝−８．３３ｍｍ）まで、Ｙ方向に略等間隔で１２の物点を示す。縦軸において、各物点の位置を表す４組の数値（座標）のうち、下段は絶対座標を表す。
例えば、“０．０００，−８．３３ＭＭ”は、Ｘ＝０、Ｙ＝−８．３３ＭＭ（最大高さ）であることを示す。これに対し、上段は相対座標を表す。相対座標は、最大高さ（−８．３３ＭＭ）を１として正規化したものである。表示デバイス３の表示面上の各物点は、それぞれスクリーン上の物点に対応している。
【０１１３】
また、図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃの右下に示すスケールは、０．５００ｍｍの長さを表している。なお、図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃは白黒で表記されているが、各スポットは、赤色光、緑色光および青色光が組み合わさって形成されている。
【０１１４】
図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃから、スポットの広がりは、概ね１画素サイズ（０．１７ｍｍ）以下となっており、スクリーン５が平面、凹面および凸面の何れの場合にも、良好な性能が得られていることが分かる。
【０１１５】
図１２は、本実施の形態と対比する参考例を示す図であり、図５（ａ）の投写光学系（像面が平面）に対して、図５（ｃ）に示したように投写光学系に対して凸面形状のスクリーン５３を配置した場合のスポットダイアグラムを示す。図１２の表記は、図１１に準ずる。図１２より、光軸近傍から離れるほどスポットが極端に大きくなっており、所望の性能が得られないことが分かる。すなわち、本実施の形態のように、レンズの位置を調整することにより像面の曲率を変化させることで、同一の投写光学系を用いながら、平面のみならず曲面形状のスクリーン５に対しても良好な性能を持つ画像を表示することができる。
【０１１６】
なお、本実施の形態では、像面の曲率半径を、凹面および凸面とも１０００ｍｍとして設計しているが、上述した通り、焦点深度内であればスクリーン５の曲率半径を任意に設定することができる。また、ここでは、レンズの位置調整によってスクリーン５を平面、凹面および凸面とする場合について示したが、それらの範囲内でレンズ位置を調整した場合には、像面の曲率半径の絶対値が１０００ｍｍ〜∞の範囲で良好な性能が得られる。
【０１１７】
以上説明したように、本発明の実施の形態２の投写光学系２００は、第２レンズ群２を移動させることにより、像面の曲率を変更する（すなわち、像面を、平面、凹面または凸面に変更する）ことができる。従って、所望のスクリーン形状に合った像面を得ることができる。また、このようにスクリーン形状に合った像面が得られるため、映像光の焦点ずれによる性能劣化を抑制することができる。
【０１１８】
なお、本実施の形態では、第２レンズ群２の全体を移動させたが、これに限らず、第２レンズ群２を構成する一部のレンズあるいはレンズ群を移動させても良い。また、図６および図７で模式的に説明したとおり、全体として負のパワーを有する第２レンズ群２が移動すればよく、このことは、第２レンズ群２が、移動しないレンズあるいはレンズ群を含む場合を排除するものではない。
【０１１９】
実施の形態３．
図１３は、本発明の実施の形態３における投写型画像表示装置３０の構成を示す図である。照明光学系（光源を含む）等は、実施の形態１（図１）と共通であるため、図示を省略する。図１に示した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付す。光路については、軸上光の光路と、周縁光の光路（すなわち、光軸４から最も距離の離れた表示デバイス３上の点を通り、投写画像の最周縁部に到達する光路）の光路を示している。
【０１２０】
投写型画像表示装置３０は、投写光学系３００を備える。投写光学系３００は、縮小側から拡大側に向かって順に、正のパワーを有する第１レンズ群１と、負のパワーを有する第２レンズ群２とを備える。第１レンズ群は、縮小側から順に、正のパワーを有するサブレンズ群１１と、正のパワーを有するサブレンズ群１２とを備える。サブレンズ群１１は、縮小側から順に、両凸レンズ２０１、両凸レンズ２０２、両凹レンズ２０３、両凸レンズ２０４、拡大側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ２０５、両凸レンズ２０６、および、縮小側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ２０７を備える。サブレンズ群１２は、縮小側から順に、拡大側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ２０８と、縮小側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ２０９とを備える。第２レンズ群２は、両凹レンズ２１０，２１１および非球面レンズ２１２を備える。
【０１２１】
図１４は、投写光学系３００の作用を説明するための図である。図１４（ａ）は、表示デバイス３からの映像光を平面形状のスクリーン５１に投影する場合を示す。図１４（ｂ）は、表示デバイス３からの映像光を、投写光学系３００側に凹面形状のスクリーン５２に投影する場合を示す。図１４（ｃ）は、表示デバイス３からの映像光を、投写光学系３００側に凸面形状のスクリーン５３に投影する場合を示す。
【０１２２】
本実施の形態では、スクリーン５の形状（平面、凹面、凸面）に応じて、第１レンズ群１の光軸方向の位置を調整する。そのため、図１４（ａ）、図１４（ｂ）および図１４（ｃ）において、レンズ形状は全て同一であるが、プリズムＰＳと第１レンズ群１との距離、第１レンズ群１と第２レンズ群２との距離（Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ）、および、第２レンズ群２とスクリーン５１，５２，５３との距離（Ａａ，Ａｂ，Ａｃ）が変化している。
【０１２３】
図１５は、光軸上の像面位置の変化を説明する図である。図１５において、１ａ，１ｂ，１ｃは、図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）に示した位置にある第１レンズ群１を、それぞれ薄肉レンズとして模試的に表したものである。第２レンズ群２も、薄肉レンズとして模式的に表わされている。ｕ３ａ，ｕ３ｂ，ｕ３ｃは、軸上光が第２レンズ群２から出射される際のそれぞれの収束角である。Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃは、第２レンズ群２から出射される軸上光のそれぞれの集光点（すなわち光軸上の像面位置）である。
【０１２４】
第１レンズ群１（１ａ，１ｂ，１ｃ）と第２レンズ群２との距離Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ、および、第２レンズ群２とスクリーン５との距離（すなわち第２レンズ群２と軸上光の焦点との距離）Ａａ，Ａｂ，Ａｃは、以下の式（２５）および（２６）を満足する。
Ｂｃ＜Ｂａ＜Ｂｂ・・・（２５）
Ａｃ＜Ａａ＜Ａｂ・・・（２６）
【０１２５】
また、軸上光の収束角ｕ３ａ，ｕ３ｂ，ｕ３ｃは、前述の式（１８）を満足する。
【０１２６】
図１４（ｂ）のように像面が投写光学系３００側に凹となる場合、図１４（ａ）と比較して、第１レンズ群１ｂが第２レンズ群２から離間する方向に移動する（Ｂａ＜Ｂｂ）。第１レンズ群１ｂに入射する軸上光は発散状態であるので、軸上光が第１レンズ群１ｂに入射する領域は、軸上光が第１レンズ群１ａに入射する領域よりも小さくなる。第１レンズ群は、軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される（軸上光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図１４（ａ）よりも弱い正パワーで第１レンズ群１ｂにより屈折される。これにより、軸上光が第２レンズ群２に入射する領域は、図１４（ａ）よりも大きくなる。
【０１２７】
第２レンズ群２は、軸上光の入射する領域が大きいほど、より強い負パワーで屈折される（軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い負パワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図１４（ａ）よりも強い負パワーで第２レンズ群２により屈折される。その結果、軸上光の収束角はより小さくなり（ｕ３ｂ＜ｕ３ａ）、位置Ｆａと比較して、より第２レンズ群２から離間した位置Ｆｂで集光する（Ｄａ＜Ｄｂ）。その結果、図１４（ａ）と比較して、光軸上の像面位置が第２レンズ群２から離間する。
【０１２８】
一方、図１４（ｃ）のように像面が投写光学系３００側に凸となる場合、図１４（ａ）と比較して、第１レンズ群１ｃが第２レンズ群２に接近する方向に移動する（Ｂｃ＜Ｂａ）。第１レンズ群１ｃに入射する軸上光は発散状態であるので、軸上光が第１レンズ群１ｃに入射する領域は、軸上光が第１レンズ群１ａに入射する領域よりも大きくなる。第１レンズ群は、軸上光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される（軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図１４（ａ）よりも強い正パワーで第１レンズ群１ｃにより屈折される。これにより、軸上光が第２レンズ群２に入射する領域は、図１４（ａ）よりも小さくなる。
【０１２９】
第２レンズ群２は、軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い負パワーで屈折される（軸上光の入射する領域が大きいほど、より強い負パワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図１４（ａ）よりも弱い負パワーで第２レンズ群２により屈折される。その結果、軸上光の収束角はより大きくなり（ｕ３ａ＜ｕ３ｃ）、位置Ｆａと比較して、より第２レンズ群２に近い位置Ｆｃで集光する（Ｄｃ＜Ｄａ）。よって、図１４（ａ）と比較して、光軸上の像面位置が第２レンズ群２に接近する。よって、光軸上の像面の位置は、縮小側から拡大側に向かってＦｃ，Ｆａ，Ｆｂの順となる（Ｄｃ＜Ｄａ＜Ｄｂ）。
【０１３０】
図１６は、画面周辺部の像面位置の変化を説明する図である。図１５に示した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付している。ｖ３ａ，ｖ３ｂ，ｖ３ｃは、周縁光が第２レンズ群２から出射される際のそれぞれの収束角である。Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃは、第２レンズ群２から出射される周縁光のそれぞれの集光点（すなわち画面周辺部の像面位置）である。
【０１３１】
第２レンズ群２と周縁光の焦点の距離Ｈａ，Ｈｂ、Ｈｃは、以下の式（２７）を満足する。
Ｈｃ＜Ｈａ＜Ｈｂ・・・（２７）
【０１３２】
また、周縁光の収束角ｖ３ａ，ｖ３ｂ，ｖ３ｃは、上述した式（２０）を満足する。
【０１３３】
図１４（ｂ）のように像面が投写光学系３００側に凹となる場合、図１４（ａ）と比較して、第１レンズ群１ｂが第２レンズ群２から離間する方向に移動する（Ｂａ＜Ｂｂ）。その際、第１レンズ群１ｂに入射する周縁光は発散状態であるので、周縁光が第１レンズ群１ｂに入射する領域は、周縁光が第１レンズ群１ａに入射する領域よりも小さくなる。第１レンズ群は、周縁光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される（周縁光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される）よう構成されているので、周縁光は、図１４（ａ）よりも弱い正パワーで第１レンズ群１ｂにより屈折される。これにより、周縁光が第２レンズ群２に入射する領域は、図１４（ａ）よりも大きくなる。第２レンズ群２は、周縁光の入射する領域が大きいほど、より強い負パワーで屈折される（周縁光の入射する領域が小さいほど、より弱い負パワーで屈折される）よう構成されているので、周縁光は、図１４（ａ）よりも強い負パワーで第２レンズ群２により屈折される。その結果、周縁光の収束角はより小さくなり（ｖ３ｂ＜ｖ３ａ）、位置Ｇａと比較して、より第２レンズ群２から離間した位置Ｇｂで集光する（Ｈａ＜Ｈｂ）。よって、図１４（ａ）と比較して、画面周辺部の像面位置が第２レンズ群２から離間する。
【０１３４】
一方、図１４（ｃ）のように像面が投写光学系３００側に凸となる場合、図１４（ａ）と比較して、第１レンズ群１ｃが第２レンズ群２に接近する方向に移動する（Ｂｃ＜Ｂａ）。その際、第１レンズ群１ｃに入射する周縁光は発散状態であるので、周縁光が第１レンズ群１ｃに入射する領域は、周縁光が第１レンズ群１ａに入射する領域よりも大きくなる。第１レンズ群は、周縁光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される（周縁光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される）よう構成されているので、周縁光は、図１４（ａ）よりも強い正パワーで第１レンズ群１ｃにより屈折される。これにより、周縁光が第２レンズ群２に入射する領域は、図１４（ａ）よりも小さくなる。第２レンズ群２は、周縁光の入射する領域が小さいほど、より弱い負パワーで屈折される（周縁光の入射する領域が大きいほど、より強い負パワーで屈折される）よう構成されているので、周縁光は、図１４（ａ）よりも弱い負パワーで第２レンズ群２により屈折される。その結果、周縁光の収束角はより大きくなり（ｖ３ａ＜ｖ３ｃ）、位置Ｇａと比較して、より第２レンズ群２に近い位置Ｇｃで集光する（Ｈｃ＜Ｈａ）。よって、図５（ａ）と比較して、画面周辺部の像面位置が第２レンズ群２に接近する。よって、画面周辺部の像面の位置は、縮小側から拡大側に向かってＧｃ，Ｇａ，Ｇｂの順となる（Ｈｃ＜Ｈａ＜Ｈｂ）。
【０１３５】
上記をより詳細に説明する。図１６において、第２レンズ群２を出射した光の光軸と周縁光の上側光線とのなす角（上側光線の出射角）をそれぞれｔ３ａ，ｔ３ｂ，ｔ３ｃとし、当該光軸と周縁光の下側光線とのなす角（下側光線の出射角）をそれぞれｓ３ａ，ｓ３ｂ，ｓ３ｃとする（ｖ３ａ＝ｔ３ａ−ｓ３ａ、ｖ３ｂ＝ｔ３ｂ−ｓ３ｂ、ｖ３ｃ＝ｔ３ｃ−ｓ３ｃ）。図１４（ａ）において、第２レンズ群２に入射する周縁光の上側光線および下側光線の入射高（光軸から入射点での距離）をｈ３ａ，ｇ３ａとする。図１４（ｂ）において、第２レンズ群２に入射する周縁光の上側光線および下側光線の入射高をｈ３ｂ，ｇ３ｂとする。図１４（ｃ）において、第２レンズ群２に入射する周縁光の上側光線および下側光線の入射高をｈ３ｃ，ｇ３ｃとする。このとき、ｇ３ｃ＜ｇ３ａ＜ｇ３ｂおよびｈ３ｃ＜ｈ３ａ＜ｈ３ｂの関係が成り立つ。
【０１３６】
第２レンズ群２は、周縁光線の上側光線および下側光線が、図１４（ａ）を基準として、入射高が大きいほど強い負パワーで屈折され、入射高が小さいほど弱い負パワーで屈折されるよう構成されている。すなわち、上側光線は、図１４（ｃ）よりも図１４（ａ）でより強い負パワーで屈折され、図１４（ａ）よりも図１４（ｂ）でより強い負パワーで屈折される。また、下側光線は、図１４（ｂ）よりも図１４（ａ）でより強い負パワーで屈折され、図１４（ａ）よりも図１４（ｃ）でより強い負パワーで屈折される。
【０１３７】
よって、周縁光の上側光線の出射角については、ｔ３ｃ＜ｔ３ａ＜ｔ３ｂ、周縁光の下側光線の出射角については、ｓ３ｂ＜ｓ３ａ＜ｓ３ｃを満足する。これにより、図１４（ａ）と比較し、図１４（ｂ）において、より第２レンズ群から離間した位置に周縁光が集光され（Ｈａ＜Ｈｂ）、図１４（ｃ）において、より第２レンズ群に近い位置に周縁光が集光される（Ｈｃ＜Ｈａ）。
【０１３８】
さらに、第２レンズ群２と軸上光および周縁光の焦点との距離Ａａ，Ａｂ，Ａｃ、Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃは以下の式（２８）および（２９）を満足する。
Ａｂ−Ａａ＞Ｈｂ−Ｈａ・・・（２８）
Ａａ−Ａｃ＞Ｈａ−Ｈｃ・・・（２９）
【０１３９】
図１７に、図１４（ａ）、図１４（ｂ）および図１４（ｃ）の結果を重ねて示す。上述した通り、第２レンズ群２は、軸上光の入射する領域が大きいほどより強い負パワーで屈折される（軸上光の入射する領域が小さいほどより弱い負パワーで屈折される）よう構成されている。また、第２レンズ群２は、周縁光の入射する領域が大きいほどより強い負パワーで屈折される（周縁光の入射する領域が小さいほどより弱い負パワーで屈折される）よう構成されている。
【０１４０】
そのため、図１４（ｂ）のように像面が投写光学系３００側に凹となる場合、図１４（ａ）と比較すると、軸上光と周縁光はいずれも収束角は小さくなる。しかしながら、第２レンズ群２は、収束角の変化量が周縁光よりも軸上光において大きくなるように構成されている（│ｕ３ｂ−ｕ３ａ│＞│ｖ３ｂ−ｖ３ａ│）。よって、第２レンズ群２と焦点の距離の変化量は周縁光よりも軸上光において大きくなる（Ａｂ−Ａａ＞Ｈｂ−Ｈａ）。
【０１４１】
また、図１４（ｃ）のように像面が投写光学系３００側に凸となる場合、図１４（ａ）と比較すると、軸上光と周縁光はいずれも収束角は大きくなる。しかしながら、第２レンズ群２は、収束角の変化量が周縁光よりも軸上光において大きくなるように構成されている（│ｕ３ｃ−ｕ３ａ│＞│ｖ３ｃ−ｖ３ａ│）。よって、第２レンズ群２と焦点の距離の変化量は周縁光よりも軸上光において大きくなる（Ａａ−Ａｃ＞Ｈａ−Ｈｃ）。
【０１４２】
数値実施例．
以下、図１３および図１４に示した本実施の形態の投写光学系３００の数値実施例について説明する。表８には、投写光学系３００の光学データを示す。表６の表記は、表１に準ずる。面番号Ｓ１６は、瞳Ｐを表している。表示デバイス３のサイズは、１４．５１５ｍｍ×８．１６５ｍｍであり。縮小側のＦナンバーは２．５であり、像面が平面である場合の投写画像サイズは対角１５インチである。投影倍率は２２．８８倍であり、表示デバイスの１画素サイズを７．５６μｍとすると、スクリーン５に投影される１画素サイズは約０．１７ｍｍとなる。
【０１４３】
【表８】
0005615449.tif 000009
【０１４４】
表９に、非球面データを示す。表９の表記は、表２に準ずる。
【０１４５】
【表９】
0005615449.tif 000010
【０１４６】
表１０に、本実施の形態における各パラメータを示す。表１０から、上述した式（２５）〜（２９）が満足されていることが理解されるであろう。
【０１４７】
【表１０】
0005615449.tif 000011
【０１４８】
図１８Ａ、図１８Ｂおよび図１８Ｃに、スクリーン５が平面形状である場合、投写光学系３００に対して凹面形状である場合、および投写光学系３００に対して凸面形状である場合のそれぞれについて、スクリーン上のスポットダイアグラムを示す。ここでは、波長６３０ｎｍの赤色光、波長５３０ｎｍの緑色光、および長４６０ｎｍの青色光を用いた。赤色光、緑色光および青色光の、スクリーン面での入射光量比は、３：６：１とした。
【０１４９】
図１８Ａ、図１８Ｂおよび図１８Ｃから、スポットの広がりは、概ね１画素サイズ（０．１７ｍｍ）程度以下となっており、スクリーン５が平面、凹面および凸面の何れの場合にも、良好な性能が得られていることが分かる。
【０１５０】
なお、本実施の形態では、像面の曲率半径を、凹面および凸面とも１０００ｍｍとして設計しているが、上述した通り、焦点深度内であればスクリーン５の曲率半径を任意に設定することができる。また、ここでは、レンズの位置調整によってスクリーン５を平面、凹面および凸面とする場合について説明したが、それらの範囲内でレンズ位置を調整した場合には、像面の曲率半径の絶対値が１０００ｍｍ〜∞の範囲で良好な性能が得られる。
【０１５１】
以上説明したように、本発明の実施の形態３の投写光学系３００は、第１レンズ群１を移動させることにより、像面の曲率を変更する（すなわち、像面を、平面、凹面または凸面に変更する）ことができる。従って、所望のスクリーン形状に合った像面を得ることができる。また、このようにスクリーン形状に合った像面が得られるため、映像光の焦点ずれによる性能劣化を抑制することができる。
【０１５２】
なお、本実施の形態では、第１レンズ群１の全体を移動させたが、これに限らず、第１レンズ群１を構成する一部のレンズあるいはレンズ群を移動させても良い。図１５および図１６で模式的に説明したとおり、全体として正のパワーを有する第１レンズ群１が移動すればよく、このことは、第１レンズ群１が、移動しないレンズあるいはレンズ群を含む場合を排除するものではない。
【０１５３】
実施の形態４．
図１９は、本発明の実施の形態４における投写型画像表示装置４０の構成を示す図である。照明光学系（光源を含む）等は、実施の形態１（図１）と共通であるため、図示を省略する。図１に示した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付す。光路については、軸上光の光路と、周縁光の光路（すなわち、光軸４から最も距離の離れた表示デバイス３上の点を通り、投写画像の最周縁部に到達する光路）を示している。
【０１５４】
投写型画像表示装置４０は、投写光学系４００を備える。投写光学系４００は、縮小側から拡大側に向かって順に、正のパワーを有する第１レンズ群１と、負のパワーを有する第２レンズ群２とを備える。第１レンズ群は、縮小側から順に、正のパワーを有するサブレンズ群１１と、正のパワーを有するサブレンズ群１２とを備える。サブレンズ群１１は、縮小側から順に、両凸レンズ２０１，２０２、両凹レンズ２０３、両凸レンズ２０４、拡大側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ２０５、両凸レンズ２０６、および両凹レンズ２０７を備える。サブレンズ群１２は、縮小側から順に、拡大側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ２０８と、両凸レンズ２０９とを備える。第２レンズ群２は、両凹レンズ２１０と、縮小側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ２１１と、非球面レンズ２１２とを備える。
【０１５５】
図２０は、投写光学系４００の作用を説明するための図である。図２０（ａ）は、表示デバイス３からの映像光を平面形状のスクリーン５１に投影する場合を示す。図２０（ｂ）は、表示デバイス３からの映像光を、投写光学系４００側に凹面形状のスクリーン５２に投影する場合を示す。図２０（ｃ）は、表示デバイス３からの映像光を、投写光学系４００側に凸面形状のスクリーン５３に投影する場合を示す。
【０１５６】
本実施の形態では、スクリーン５の形状（平面、凹面、凸面）に応じて、第１レンズ群１および第２レンズ群２の光軸方向の位置を調整することを特徴とする。第１レンズ群１または第２レンズ群２のいずれかのみの位置を調整すると、図７または図１６に示したとおり、第２レンズ群２とスクリーン５との距離が大きく変動するため、投写画像サイズも大きく変動する。
【０１５７】
図２１には、スクリーン５を平面形状（平面スクリーン）にした場合、投写光学系４００側に凹面形状（凹面スクリーン）にした場合、および投写光学系４００側に凸面形状（凸面スクリーン）にした場合のそれぞれについて、スクリーン５に投影される投写画像の輪郭を示す。スクリーン５を平面形状にした場合には、投写画像は、表示デバイス３の形状と相似形の矩形となる。しかしながら、スクリーン５を凹面形状にした場合には、第２レンズ群２とスクリーン５との距離が大きくなるため、スクリーン５の凹面形状による樽型歪曲が発生するとともに、画像サイズが大きくなる。また、スクリーン５を凸面形状にした場合には、第２レンズ群２とスクリーン５との距離が小さくなるため、スクリーン５の凸面形状による糸巻型歪曲が発生するとともに、画像サイズが小さくなる。
【０１５８】
このように、第１レンズ群１または第２レンズ群２のいずれかのみの位置を調整した場合には、レンズ群の移動に伴って画像サイズが変動して、一定の画像サイズが得られない上、画像の輝度も変化する。さらに、スクリーン５を平面形状にした際に画像が投影される矩形の領域を基準とすると、スクリーン５を凹面形状にした場合には、画像が大きく投影されるので、全ての画像情報を表示するためには、信号処理によって表示コンテンツを前記矩形領域に収まるように縮小しなければならず、画像表示に使用できる有効画像が減少する。また、スクリーン５を凸面形状にした場合には、画像が小さく投影されるので、前記矩形領域の全面に画像を表示することができない。そこで、本実施の形態では、第１レンズ群１および第２レンズ群２の両方の位置を調整することにより、上記の現象（画像の輝度変化、有効画素の減少、および表示領域の減少）の低減を図っている。
【０１５９】
図２０（ａ）、図２０（ｂ）および図２０（ｃ）において、レンズ形状は全て同一であるが、プリズムＰＳと第１レンズ群１との距離、第１レンズ群１と第２レンズ群２との距離（Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）、および、第２レンズ群２とスクリーン５１，５２，５３との距離（Ｊａ，Ｊｂ，Ｊｃ）が変化している。
【０１６０】
本実施の形態においては、第２レンズ群２の位置を調整する点では実施の形態２と同様であり、その際の投写画像サイズの変動を第１レンズ群１の移動により防止していると考えることができる。
【０１６１】
図２２（ａ）は、図２０（ａ）および図２０（ｂ）における光軸上の像面位置の変化を説明する図である。１ａ，１ｂは、図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示した位置にある第１レンズ群１を、それぞれ薄肉レンズとして表したものである。２ａ，２ｂは、図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示した位置にある第２レンズ群２を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。ｕ３ａ，ｕ４ｂは、図２０（ａ）および図２０（ｂ）のそれぞれにおいて、軸上光が第２レンズ群２から出射される際の収束角である。Ｆａ，Ｆ２ｂは、図２０（ａ）および図２０（ｂ）のそれぞれにおいて、第２レンズ群２から出射される軸上光の集光点（すなわち光軸上の像面位置）である。また、比較のため、図２２（ｂ）に、図５（ａ）および図５（ｂ）に示した、第１レンズ群１を移動させず、第２レンズ群２のみを移動させた場合の光軸上の像面位置の変化を示す。
【０１６２】
図２０（ｂ）のように像面が投写光学系４００側に凹となる場合、第２レンズ群２ｂが、２ａの位置から第１レンズ群１に接近する方向に移動する。この状態では、図２２（ｂ）に示すように、光軸上の像面位置は、ＦａからＦｂに移動して第２レンズ群２ｂから大きく離間し、これにより画像サイズが変動する。そこで、図２２（ａ）に示すように、第１レンズ群１ｂを、１ａの位置から第２レンズ群２に接近する方向に移動する。すなわち第１レンズ群１と第２レンズ群２との距離を小さくする（Ｉｂ＜Ｉａ）。第１レンズ群１ｂに入射する軸上光は発散状態であるので、軸上光が第１レンズ群１ｂに入射する領域は、軸上光が第１レンズ群１ａに入射する領域よりも大きくなる。第１レンズ群１は、軸上光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される（軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図２０（ａ）よりも（すなわち図２２（ｂ）よりも）、より強い正パワーで第１レンズ群１ｂにより屈折される。これにより、第２レンズ群２ｂに入射する軸上光の収束角が図２０（ａ）よりも大きくなるので、収束角ｕ４ｂは、収束角ｕ３ａに対して過小になることを防止できる。
【０１６３】
すなわち、図２２（ｂ）のように第２レンズ群２のみを移動させる場合、第２レンズ群２の移動に伴って、収束角ｕ３ｂは必然的に収束角ｕ３ａよりかなり小さくなるが、上記のように第２レンズ群２に加えて第１レンズ群１を移動させることにより、収束角を制御することが可能になり、収束角の変動を低減することができる。また、上記作用により、軸上光の集光点（すなわち軸上光の像面位置）は第２レンズ群２から離間する方向に移動するが（Ｊａ＜Ｊｂ）、収束角の変動を低減することにより、軸上光の像面位置の変動も低減することができる。
【０１６４】
同様に、図２３（ａ）は、図２０（ａ）および図２０（ｃ）における光軸上の像面位置の変化を説明する図である。１ａ，１ｃは、図２０（ａ）および図２０（ｃ）に示した位置にある第１レンズ群１を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。２ａ，２ｃは、図２０（ａ）および図２０（ｃ）に示した位置にある第２レンズ群２を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。ｕ３ａ，ｕ４ｃは、図２０（ａ）および図２０（ｃ）のそれぞれにおいて、軸上光が第２レンズ群２から出射される際の収束角である。Ｆａ，Ｆ２ｃは、図２０（ａ）および図２０（ｃ）のそれぞれにおいて、第２レンズ群２から出射される軸上光の集光点（すなわち光軸上の像面位置）である。また、図２３（ｂ）に、比較のため、図５（ａ）および図５（ｃ）に示した、第１レンズ群１を移動させずに第２レンズ群２のみを移動させた場合の光軸上の像面位置の変化を示す。
【０１６５】
図２０（ｃ）のように像面が投写光学系４００側に凸となる場合、第２レンズ群２ｃが、２ａの位置から第１レンズ群１から離間する方向に移動する。この状態では、図２３（ｂ）に示すように、光軸上の像面位置は、ＦａからＦｃに移動して第２レンズ群２ｃに大きく接近し、これにより画像サイズが変動する。そこで、第１レンズ群１ｃを、図２３（ａ）に示すように、１ａの位置を基準として、第２レンズ群２から離間する方向に移動する。すなわち第１レンズ群１と第２レンズ群２との距離を大きくする（Ｉａ＜Ｉｃ）。第１レンズ群１ｃに入射する軸上光は発散状態であるので、軸上光が第１レンズ群１ｃに入射する領域は、軸上光が第１レンズ群１ａに入射する領域よりも小さくなる。第１レンズ群１は、軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される（軸上光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図２０（ａ）よりも（すなわち図２３（ｂ）よりも）、より弱い正パワーで第１レンズ群１ｃにより屈折される。これにより、第２レンズ群２ｃに入射する軸上光の収束角が図２０（ａ）よりも小さくなるので、収束角ｕ４ｃが収束角ｕ３ａに対して過大になることを防止できる。
【０１６６】
すなわち、図２３（ｂ）のように第２レンズ群２のみを移動させる場合、第２レンズ群２の移動に伴って、収束角ｕ３ｃは必然的に収束角ｕ３ａよりかなり大きくなるが、上記のように第２レンズ群２に加えて第１レンズ群１を移動させることにより、収束角を制御することが可能になり、収束角の変動を低減することができる。また、上記作用により、軸上光の集光点（すなわち軸上光の像面位置）は第２レンズ群２に接近する方向に移動するが（Ｊｃ＜Ｊａ）、収束角の変動を低減することにより、軸上光の像面位置の変動も低減することができる。
【０１６７】
上記より、第１レンズ１と第２レンズ群２との距離Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ、および、第２レンズ群２とスクリーン５との距離（すなわち第２レンズ群と軸上光の焦点との距離）Ｊａ，Ｊｂ，Ｊｃは、以下の式（３０）および（３１）を満足する。
Ｉｂ＜Ｉａ＜Ｉｃ・・・（３０）
Ｊｃ＜Ｊａ＜Ｊｂ・・・（３１）
【０１６８】
図２４（ａ）は、図２０（ａ）および図２０（ｂ）における周縁光すなわち画面周辺部の像面位置の変化を説明する図である。１ａ，１ｂは、図２０（ａ）および図２０（ｂ）の位置にある第１レンズ群１を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。２ａ，２ｂは、図２０（ａ）および図２０（ｂ）における第２レンズ群２を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。ｖ３ａ，ｖ４ｂは、図２０（ａ）および図２０（ｂ）のそれぞれにおいて、軸上光が第２レンズ群から出射される際の収束角である。Ｇａ，Ｇ２ｂは、図２０（ａ）および図２０（ｂ）のそれぞれにおいて、第２レンズ群から出射される周縁光の集光点（すなわち画面周辺部の像面位置）である。また、図２４（ｂ）に、比較のため、図５（ａ）および図５（ｂ）に示した、第１レンズ群１を移動させず、第２レンズ群２のみを移動させる場合における画面周辺部の像面位置の変化を示す。
【０１６９】
図２０（ｂ）のように像面が投写光学系４００側に凹となる場合には、第２レンズ群２ｂが、２ａの位置から第１レンズ群に接近する方向に移動する。この状態では、図２４（ｂ）に示すように、画面周辺部の像面位置は、ＧａからＧｂに移動して第２レンズ群２ｂから大きく離間し、これにより画像サイズが大きくなる。そこで、図２４（ａ）に示すように、第１レンズ群１ｂを、１ａの位置から第２レンズ群２に接近する方向に移動する。すなわち、第１レンズ群１と第２レンズ群２との距離を小さくする（Ｉｂ＜Ｉａ）。第１レンズ１ｂに入射する周縁光は発散状態であるので、周縁光が第１レンズ群１ｂに入射する領域は、周縁光が第１レンズ群１ａに入射する領域よりも大きくなる。第１レンズ群１は、周縁光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される（周縁光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される）よう構成されているので、周縁光は、図２０（ａ）よりも（すなわち図２４（ｂ）よりも）、より強い正パワーで第１レンズ群１ｂにより屈折される。これにより、第２レンズ群２ｂに入射する周縁光の収束角が図２０（ａ）よりも大きくなるので、収束角ｖ４ｂは、収束角ｖ３ａに対して過小になることを防止できる。
【０１７０】
この例では、光軸上の像面位置Ｆ２ｂは、Ｆａに対して、第２レンズ群２と反対の側に移動するが、画面周辺部の像面位置Ｇ２ｂは、Ｇａに対して、第２レンズ群２と同じ側に移動させている。一般に、第２レンズ群２の位置の変動量に対して画面周辺部の像面位置の変動量の方が大きいので（Ｋｂ＜Ｋａ）、このようにすれば、収束角ｖ４ｂを収束角ｖ３ａより大きくすることも可能である。
【０１７１】
同様に、図２５（ａ）は、図２０（ａ）および図２０（ｃ）における画面周辺部の像面位置の変化を説明する図である。１ａ，１ｃは、図２０（ａ）および図２０（ｃ）に示した位置にある第１レンズ群１を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。２ａ，２ｃは、図２０（ａ）および（ｃ）に示した位置にある第２レンズ群２を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。ｖ３ａ，ｖ４ｃは、図２０（ａ）および図２０（ｃ）のそれぞれにおいて、周縁光が第２レンズ群２から出射される際の収束角である。Ｇａ，Ｇ２ｃは、図２０（ａ）および図２０（ｃ）のそれぞれにおいて、第２レンズ群２から出射される周縁光の集光点（すなわち画面周辺部の像面位置）である。なお、図２５（ｂ）に、比較のため、図５（ａ）および図５（ｃ）に示したように第１レンズ群１を移動させずに第２レンズ群２のみを移動させた場合の画面周辺部の像面位置の変化を示す。
【０１７２】
図２０（ｃ）のように像面が投写光学系４００側に凸となる場合には、第２レンズ群２ｂが、２ａの位置から第１レンズ群１から離間する方向に移動する。この状態では、図２５（ｂ）に示すように、画面周辺部の像面位置は、ＧａからＧｃに移動して第２レンズ群２ｃに大きく接近し、これにより画像サイズが小さくなる。そこで、図２５（ａ）に示すように、第１レンズ群１ｃを、１ａの位置を基準として、第２レンズ群２から離間する方向に移動する。すなわち第１レンズ群１と第２レンズ群２との距離を大きくする（Ｉａ＜Ｉｃ）。第１レンズ１ｃに入射する周縁光は発散状態であるので、周縁光が第１レンズ群１ｃに入射する領域は、周縁光が第１レンズ群１ａに入射する領域よりも小さくなる。第１レンズ群１は、周縁光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される（周縁光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される）よう構成されているので、周縁光は、図２０（ａ）よりも（すなわち図２５（ｂ）よりも）より弱い正パワーで第１レンズ群１ｃにより屈折される。これにより、第２レンズ群２ｃに入射する周縁光の収束角が図２０（ａ）よりも小さくなるので、収束角ｖ４ｃが収束角ｖ３ａに対して過大になることを防止できる。
【０１７３】
この例では、光軸上の像面位置Ｆ２ｃは、Ｆａに対して第２レンズ群２と同じ側に移動するが、画面周辺部の像面位置Ｇ２ｃは、Ｇａに対して第２レンズ群２と反対側に移動させている。一般に、第２レンズ群２の位置の変動量に対して画面周辺部の像面位置の変動量の方が大きいので（Ｋａ＜Ｋｃ）、このようにすれば、収束角ｖ４ｃを収束角ｖ３ａより小さくすることも可能である。
【０１７４】
上記より、第２レンズ群２と周縁光の焦点との距離Ｋａ，Ｋｂ，Ｋｃは、以下の式（３２）を満足する。
Ｋｂ＜Ｋａ＜Ｋｃ・・・（３２）
【０１７５】
図２６に、図２０（ａ）、図２０（ｂ）、図２０（ｃ）の結果を重ねて示す。実施の形態３で説明したように、本実施の形態においても、レンズの移動に伴う焦点位置の変動量は、周縁光よりも軸上光の方が大きい。よって、第２レンズ群２と軸上光の焦点との距離Ｊａ，Ｊｂ，Ｊｃと、第２レンズ群２と周縁光の焦点との距離Ｋａ，Ｋｂ，Ｋｃは、以下の式（３３）および（３４）を満足する。
│Ｊｂ−Ｊａ│＞│Ｋｂ−Ｋａ│・・・（３３）
│Ｊｃ−Ｊａ│＞│Ｋｃ−Ｋａ│・・・（３４）
【０１７６】
図２７に、本実施の形態において、スクリーン５を平面形状にした場合、投写光学系４００側に凹面形状にした場合、および投写光学系４００側に凸面形状にした場合のそれぞれについて、スクリーン５に投影される投写画像の輪郭を示す。スクリーン５を平面形状にした場合には、投写画像は、表示デバイス３の形状と相似形の矩形となる。スクリーン５を凹面形状にした場合には樽型歪曲が発生し、スクリーン５を凸面形状にした場合には糸巻型歪曲が発生するが、上述したように、第２レンズ群２および第１レンズ群１を移動させることで、光軸上および画面周辺部の像面位置を適切に制御できるため、投写画像サイズは大きく変動しない。これにより、画像の輝度変化、有効画素の減少、および表示領域の減少を低減することができる。
【０１７７】
数値実施例．
以下、図１９および図２０に示した本実施の形態の投写光学系４００の数値実施例について説明する。表１１には、投写光学系４００の光学データを示す。表１１の表記は、表１に準ずる。面番号Ｓ１７は、瞳Ｐを表している。表示デバイス３のサイズは、１４．５１５ｍｍ×８．１６５ｍｍである。縮小側のＦナンバーは２．５であり、像面が平面である場合の投写画像サイズは、対角１５インチである。投影倍率は２２．８８倍であり、表示デバイス３の１画素のサイズを７．５６μｍとすると、スクリーン５に投影される１画素のサイズは約０．１７ｍｍとなる。
【表１１】
0005615449.tif 000012
【０１７８】
表１２に、非球面データを示す。表１２の表記は、表２に準ずる。
【０１７９】
【表１２】
0005615449.tif 000013
【０１８０】
表１３に、本実施の形態における各パラメータを示す。表１２から、上述した式（３０）〜（３４）が満足されていることが理解されるであろう。
【０１８１】
【表１３】
0005615449.tif 000014
【０１８２】
図２８Ａ、図２８Ｂおよび図２８Ｃに、スクリーン５が平面形状である場合、投写光学系４００に対して凹面形状である場合、および投写光学系４００に対して凸面形状である場合のそれぞれについて、スクリーン上のスポットダイアグラムを示す。ここでは、波長６３０ｎｍの赤色光、波長５３０ｎｍの緑色光、および波長４６０ｎｍの青色光を用いた。赤色光、緑色光および青色光の、スクリーン面での入射光量比は、３：６：１とした。
【０１８３】
図２８Ａ、図２８Ｂおよび図２８Ｃから、スポットの広がりは、概ね１画素サイズ（０．１７ｍｍ）程度以下となっており、スクリーン５が平面、凹面および凸面の何れの場合にも、良好な性能が得られていることが分かる。
【０１８４】
なお、本実施の形態では、像面の曲率半径を、凹面、凸面とも１０００ｍｍとして設計しているが、上述した通り、焦点深度内であればスクリーン５の曲率半径は任意に設定することができる。また、ここでは、レンズの位置調整によってスクリーン５を平面、凹面および凸面とする場合について説明したが、それらの範囲内でレンズ位置を調整した場合には、像面の曲率半径の絶対値が１０００ｍｍ〜∞の範囲で良好な性能が得られる。
【０１８５】
以上説明したように、本発明の実施の形態４の投写光学系４００は、第２レンズ群２および第１レンズ群１を移動させることにより、像面の曲率を変更する（すなわち、像面を、平面、凹面または凸面に変更する）とともに、その際の画像サイズの変動を低減することができる。従って、所望のスクリーン形状およびサイズに合った像面を得ることができる。また、このようにスクリーン形状およびサイズに合った像面が得られるため、映像光の焦点ずれによる性能劣化を抑制することができる。
【０１８６】
なお、本実施の形態では、第１レンズ群１の全体および第２レンズ群２の全体を移動させたが、これに限らず、各レンズ群１，２を構成する一部のレンズあるいはサブレンズ群を移動させても良い。図２２〜図２５を参照して説明した通り、全体として負のパワーを有する第２レンズ群２および全体として正のパワーを有する第１レンズ群１が移動すればよく、このことは、第１レンズ群１および第２レンズ群２が、移動しないレンズあるいはレンズ群を含む場合を排除するものではない。
【０１８７】
実施の形態５．
図２９は、本発明の実施の形態５における投写型画像表示装置５０の構成を示す図である。照明光学系（光源を含む）等は、実施の形態１（図１）と共通であるため、図示を省略する。図１に示した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付す。光路については、軸上光の光路と、周縁光の光路（すなわち、光軸４から最も距離の離れた表示デバイス３上の点を通り、投写画像の最周縁部に到達する光路）を示している。
【０１８８】
投写型画像表示装置５０は、投写光学系５００を備える。投写光学系５００は、縮小側から拡大側に向かって順に、正のパワーを有する第１レンズ群１と、負のパワーを有する第２レンズ群２とを備える。第１レンズ群１は、縮小側から順に、正のパワーを有するサブレンズ群１１と、正のパワーを有するサブレンズ群１２とを備える。サブレンズ群１１は、縮小側から順に、さらに正のパワーを有するサブレンズ群１１０と、負のパワーを有するサブレンズ群１１１と、正のパワーを有するサブレンズ群１１２とを備える。
【０１８９】
サブレンズ群１１０は、縮小側から順に、両凸レンズ２０１，２０２を備える。サブレンズ群１１１は、縮小側から順に、両凹レンズ２０３、両凸レンズ２０４、拡大側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ２０５、両凸レンズ２０６、縮小側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ２０７、および両凹レンズ２０８を備える。サブレンズ群１１２は、縮小側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ２０９を備える。サブレンズ群１２は、縮小側から順に、拡大側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ２１０、両凸レンズ２１１、および縮小側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ２１２を備える。第２レンズ群２は、両凹レンズ２１３、縮小側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ２１４、および非球面レンズ２１５を備える。
【０１９０】
図３０は、投写光学系５００の作用を説明するための図である。図３０（ａ）は、表示デバイス３からの映像光を平面形状のスクリーン５１に投影する場合を示す。図３０（ｂ）は、表示デバイス３からの映像光を、投写光学系５００側に凹面形状のスクリーン５２に投影する場合を示す。図３０（ｃ）は、表示デバイス３からの映像光を、投写光学系５００側に凸面形状のスクリーン５３に投影する場合を示す。
【０１９１】
本実施の形態では、スクリーン５の形状（平面、凹面、凸面）に応じて、サブレンズ群１１１およびサブレンズ群１１２の光軸方向の位置を調整することを特徴とする。上述したように、一つのレンズ群のみの位置を調整すると、図７または図１６に示したとおり、第２レンズ群２とスクリーン５との距離が大きく変動するため、投写画像サイズも大きく変動する。そこで、実施の形態４で説明したように、本実施の形態でも２つのレンズ群１１１，１１２の位置を調整することにより、投写画像サイズの変動に伴う画像の輝度変化、有効画素の減少、および表示領域の減少の低減を図っている。
【０１９２】
図３０（ａ）、図３０（ｂ）および図３０（ｃ）において、レンズ形状は全て同一であるが、サブレンズ群１１０とサブレンズ群１１１との距離（Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ）、サブレンズ群１１１とサブレンズ群１１２との距離（Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ）、および、第２レンズ群２とスクリーン５１，５２，５３との距離（Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ）が変化している。投写光学系５００内部に位置するサイズの小さいサブレンズ群１１１およびサブレンズ群１１２の位置を調整するため、レンズの移動が容易であり、レンズ全長が変化しないため投写光学系５００の保持が容易であるなどのメリットがある。
【０１９３】
図３１（ａ）は、図３０（ａ）および図３０（ｂ）における光軸上の像面位置の変化を説明する図である。１１１ａ，１１１ｂは、図３０（ａ）および図３０（ｂ）に示した位置にあるサブレンズ群１１１を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。１１２ａ，１１２ｂは、図３０（ａ）および図３０（ｂ）の位置にあるサブレンズ群１１２を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。他のレンズ群（サブレンズ群１１０，サブレンズ群１２，第２レンズ群２）も、薄肉レンズとして模式的に表している。ｕ３ａ，ｕ５ｂは、図３０（ａ）および図３０（ｂ）のそれぞれにおいて、軸上光が第２レンズ群２から出射される際の収束角である。Ｆａ，Ｆ３ｂは、図３０（ａ）および図３０（ｂ）のそれぞれにおいて、第２レンズ群２から出射される軸上光の集光点（すなわち光軸上の像面位置）である。
【０１９４】
図３１（ｂ）は、図３０（ａ）および図３０（ｃ）における光軸上の像面位置の変化を説明する図である。１１１ａ，１１１ｃは、図３０（ａ）および図３０（ｃ）の位置にあるサブレンズ群１１１を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。１１２ａ，１１２ｃは、図３０（ａ）および図３０（ｃ）の位置にあるサブレンズ群１１２を、それぞれ薄肉レンズとして模式的に表したものである。他のレンズ群（サブレンズ群１１０，サブレンズ群１２，第２レンズ群２）も、薄肉レンズとして模式的に表している。ｕ３ａ，ｕ５ｃは、図３０（ａ）および図３０（ｃ）のそれぞれにおいて、軸上光が第２レンズ群２から出射される際の収束角である。Ｆａ，Ｆ３ｃは、図３０（ａ）および図３０（ｃ）のそれぞれにおいて、第２レンズ群２から出射される軸上光の集光点（すなわち光軸上の像面位置）である。
【０１９５】
サブレンズ群１１０とサブレンズ群１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃとの距離Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ、サブレンズ群１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃとサブレンズ群１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃとの距離Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ、および、第２レンズ群２とスクリーン５との距離（すなわち第２レンズ群２と軸上光の焦点との距離）Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃは、以下の式（３５）〜（３６）を満足する。
Ｍｃ＜Ｍａ＜Ｍｂ・・・（３５）
Ｎｃ＜Ｎａ＜Ｎｂ・・・（３６）
【０１９６】
図３０（ｂ）のように像面が投写光学系５００側に凹面形状になる場合には、サブレンズ群１１１ｂが、１１１ａの位置からサブレンズ群１１０から離間する方向に移動する（Ｍａ＜Ｍｂ）。サブレンズ群１１０から出射される軸上光は収束状態であるので、軸上光がサブレンズ群１１１ｂに入射する領域は、軸上光がサブレンズ群１１１ａに入射する領域よりも小さくなる。サブレンズ群１１１は、軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される（軸上光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図３０（ａ）よりも弱い負パワーでサブレンズ群１１１ｂにより屈折される。もしこの状態でサブレンズ群１１２を移動させなければ、第２レンズ群２から出射される軸上光の収束角も過小となり、光軸上の像面位置が、Ｆａに対して、大きく第２レンズ群２から離間する方向に移動する。
【０１９７】
しかしながら、本実施の形態では、図３１（ａ）に示すように、サブレンズ群１１１ｂをサブレンズ群１１０から離間する方向に移動させるのに合わせて、サブレンズ群１１２ｂを同じ方向に、より大きく移動させる。すなわち、サブレンズ群１１１ｂとサブレンズ群１１２との距離をより大きくする（Ｎａ＜Ｎｂ）。このとき、サブレンズ群１１１ｂから出射される軸上光は発散状態であるので、軸上光がサブレンズ群１１２ｂに入射する領域は、サブレンズ群１１２を移動させない場合よりも大きくなる。サブレンズ群１１２は、軸上光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される（軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、サブレンズ群１１２を移動させない場合よりも、強い正パワーでサブレンズ群１１２ｂにより屈折される。これにより、サブレンズ群１１２を移動させない場合よりも、第２レンズ群から出射される軸上光の収束角ｕ５ｂが、図３０（ａ）における軸上光の収束角ｕ３ａに対して過小となることを防止し、また、軸上光の像面位置Ｆ３ｂが、図３０（ａ）における軸上光の像面位置Ｆａに対して、大きく第２レンズ群２に接近する方向に移動することを防止できる。
【０１９８】
図３０（ｃ）のように像面が投写光学系５００側に凸面形状になる場合には、サブレンズ群１１１ｃが、１１１ａの位置からサブレンズ群１１０に接近する方向に移動する（Ｍｃ＜Ｍａ）。サブレンズ群１１０から出射される軸上光は収束状態であるので、軸上光がサブレンズ群１１１ｃに入射する領域は、軸上光がサブレンズ群１１１ａに入射する領域よりも大きくなる。サブレンズ群１１１は、軸上光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される（軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、図３０（ａ）よりも強い負パワーでサブレンズ群１１１ｃにより屈折される。もしこの状態でサブレンズ群１１２を移動させなければ、第２レンズ群から出射される軸上光の収束角が過大となり、光軸上の像面位置が、Ｆａに対して、大きく第２レンズ群に接近する方向に移動する。
【０１９９】
しかしながら、本実施の形態では、図３１（ｂ）に示すように、サブレンズ群１１１ｃをサブレンズ群１１０に接近する方向に移動させるのに合わせて、サブレンズ群１１２ｃを同じ方向に、より大きく移動させる。すなわち、サブレンズ群１１１とサブレンズ群１１２との距離はより小さくなる（Ｎｃ＜Ｎａ）。このとき、サブレンズ群１１１ｃから出射される軸上光は発散状態であるので、軸上光がサブレンズ群１１２ｃに入射する領域は、サブレンズ群１１２を移動させない場合よりも小さくなる。サブレンズ群１１２は、軸上光の入射する領域が小さいほど、より弱い正パワーで屈折される（軸上光の入射する領域が大きいほど、より強いパワーで屈折される）よう構成されているので、軸上光は、サブレンズ群１１２を移動させない場合よりも、弱い正パワーでサブレンズ群１１２ｃにより屈折される。これにより、サブレンズ群１１２を移動させない場合よりも、第２レンズ群から出射される軸上光の収束角ｕ５ｃが、図３０（ａ）における軸上光の収束角ｕ３ａに対して過大となることを防止し、また、軸上光の像面位置Ｆ３ｃが、図３０（ａ）における軸上光の像面位置Ｆａに対して、大きく第２レンズ群に接近する方向に移動することを防止できる。
【０２００】
図３２は、図３０（ａ）、図３０（ｂ）および図３０（ｃ）における周縁光すなわち画面周辺部の像面位置の変化を説明する図である。図３０（ａ）は、図３０（ｂ）のように像面が投写光学系５００側に凹となる場合、図３０（ｂ）は、図３０（ｃ）のように像面が投写光学系５００側に凸となる場合を示す。レンズの符号は図３１と同様である。ｖ５ｂ，ｖ５ｃは、図３０（ｂ）および図３０（ｃ）のそれぞれにおいて、周縁光が第２レンズ群２から出射される際の収束角である。Ｇ３ｂ，Ｇ３ｃは、図３０（ｂ）および図３０（ｃ）のそれぞれにおいて、第２レンズ群２から出射される周縁光の集光点（すなわち画面周辺部の像面位置）である。
【０２０１】
サブレンズ群１１０とサブレンズ群１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃとの距離Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ、サブレンズ群１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃとサブレンズ群１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃとの距離Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ、第２レンズ群２と軸上光の焦点との距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ、および第２レンズ群２と周縁光の焦点との距離Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃは、以下の式（３７）〜（４２）を満足する。
│Ｌｂ−Ｌａ│＞│Ｏｂ−Ｏａ│・・・（３７）
│Ｌｃ−Ｌａ│＜│Ｏｃ−Ｏａ│・・・（３８）
Ｍｂ−Ｍａ＜Ｍａ−Ｍｃ・・・（３９）
Ｎｂ−Ｎａ＜Ｎａ−Ｎｃ・・・（４０）
│Ｌｃ−Ｌａ│＜│Ｌｂ−Ｌａ│・・・（４１）
│Ｏｂ−Ｏａ│＜│Ｏｃ−Ｏａ│・・・（４２）
【０２０２】
本実施の形態では、軸上光について、平面スクリーンの場合の集光位置を基準として、凹面スクリーンの場合の集光位置を、凸面スクリーンの場合の集光位置よりも大きく移動させている（式（３７））。一方、周縁光については、平面スクリーンの場合の集光位置を基準として、凸面スクリーンの場合の集光位置を、凹面スクリーンの場合の集光位置よりも大きく移動させている（式（３８））。そのため、平面スクリーンの場合を基準とした集光位置の変動量については、凹面スクリーンの場合には、周縁光よりも軸上光の方が大きく（式（３７））、逆に、凸面スクリーンの場合には、軸上光よりも周縁光の方が大きい（式（３８））。
【０２０３】
図３３には、スクリーン５を平面形状（平面スクリーン）にした場合、投写光学系５００側に凹面形状（凹面スクリーン）にした場合、および投写光学系５００側に凸面形状（凸面スクリーン）にした場合のそれぞれについて、スクリーン５に投影される投写画像の輪郭を示す。スクリーン５を平面形状にした場合には、投写画像は、表示デバイス３の形状と相似形の矩形となる。
【０２０４】
一方、スクリーン５を投写光学系５００側に凹面形状（凹面スクリーン）にした場合には、樽型歪曲が発生する。このとき、軸上光の集光位置を平面スクリーン時の集光位置から比較的大きく移動させて、周縁光（投写画面の４隅に相当）の像面位置を平面スクリーンの場合の投写画面（矩形）の４隅に略一致するようにする。
【０２０５】
一方、スクリーン５を投写光学系５００側に凸面形状（凸面スクリーン）にした場合には、糸巻型歪曲が発生する。投写光学系５００から出射される映像光（主光線）は大きく広がっているので、スクリーン面の曲率が同一の場合、凹面スクリーンよりも凸面スクリーンの方が、スクリーン面に対する主光線の入射角（スクリーン面の法線と主光線とのなす角）が大きくなる。よって、凹面スクリーンよりも凸面スクリーンの方が、平面スクリーンからの位置が変動した場合の歪曲発生量が大きくなる。そこで、凸面スクリーンの場合には、軸上光の像面位置を平面スクリーンの場合から大きく移動させないようにし、周縁光（投写画像の４隅に相当）の像面位置が平面スクリーンの場合の投写画像（矩形）の４隅よりも外側となるようにし、なお且つ、投写画面の４辺の中央部が、平面スクリーンの場合の投写画像（矩形）に接するようにする。
【０２０６】
すなわち、平面スクリーンの場合を基準とした軸上光の集光位置の変動量が、凸面スクリーンの場合よりも凹面スクリーンの場合の方が大きくなるようにする一方（式（４１））、平面スクリーンの場合を基準とした周縁光の集光位置の変動量が、凹面スクリーンの場合よりも凸面スクリーンの場合の方が大きくなるようにしている（式（４２））。
【０２０７】
また、凹面スクリーンの場合よりも、凸面スクリーンの場合の方が、より高い像高まで（より光軸から離れた位置まで）結像しなければならず、平面スクリーンの場合を基準とした像高の変動が大きいことから、凸面スクリーンの場合において、サブレンズ群１１１，１１２の移動量を大きくする（式（３９）および式（４０））。このようにして、凹面スクリーンの場合および凸面スクリーンの場合の投写画像の輪郭が、平面スクリーンの場合の投写画像（矩形）に内接するように、第２レンズ群２とスクリーン５との距離および像面の曲率を決定している。これにより、矩形領域外に投写される光を最小限に抑えることができる。その結果、光損失を最小限に抑え、画像の輝度変化を最小にすることができる。また、画素を有効に利用することができるので、有効画素の減少を防ぐことができる。
【０２０８】
上記の通り、図３０（ｃ）のように像面が投写光学系５００側に凸となる場合には、軸上よりも画面周辺部において、像面が平面である場合と比較して、像面の乖離が大きくなる。よって、軸上光および周縁光の収束角ｕ３ａ，ｕ３ｃ，ｖ３ａ，ｖ３ｃは、式（２４）とは逆に、下記の式（４３）を満足する。
│ｕ３ｃ−ｕ３ａ│＜│ｖ３ｃ−ｖ３ａ│・・・（４３）
【０２０９】
なお、図３０（ｂ）のように像面が投写光学系５００側に凹となる場合については、軸上光および周縁光の収束角ｕ３ａ，ｕ３ｂ，ｖ３ａ，ｖ３ｂは、上述した式（２３）を満足する。
【０２１０】
数値実施例．
以下、図２９および図３０に示した本実施の形態の投写光学系５００の数値実施例について説明する。表１４には、投写光学系５００の光学データを示す。表１４の表記は、表１に準ずる。面番号Ｓ１６は、瞳Ｐを表している。表示デバイス３のサイズは、１４．５１５ｍｍ×６．５０９ｍｍである。縮小側のＦナンバーは２．５であり、像面が平面である場合の投写画像サイズは、対角１２．５インチである。投影倍率は１９．９８倍であり、表示デバイス３の１画素サイズを７．５６μｍとすると、スクリーン５に投影される１画素サイズは約０．１５ｍｍとなる。
【表１４】
0005615449.tif 000015
【０２１１】
表１５に、非球面データを示す。表１５の表記は、表２に準ずる。
【０２１２】
【表１５】
0005615449.tif 000016
【０２１３】
表１６に、本実施の形態における各パラメータを示す。表１６から、上述した式（３５）〜（４３）が満足されていることが理解されるであろう。
【０２１４】
【表１６】
0005615449.tif 000017
【０２１５】
図３５Ａ、図３５Ｂおよび図３５Ｃに、スクリーン５が平面である場合、投写光学系５００に対して凹面である場合、投写光学系５００に対して凸面である場合のそれぞれについて、スクリーン５上のスポットダイアグラムを示す。ここでは、波長６３０ｎｍの赤色光、波長５３０ｎｍの緑色光、および波長４６０ｎｍの青色光を用いた。赤色光、緑色光および青色光の、スクリーン面での入射光量比は、３：６：１とした。
【０２１６】
図３５Ａ、図３５Ｂおよび図３５Ｃから、スポットの広がりは、概ね１画素サイズ（０．１５ｍｍ）程度以下となっており、スクリーン５が平面、凹面、凸面の何れの場合にも、良好な性能が得られていることが分かる。
【０２１７】
なお、本実施の形態では、像面の曲率半径を、凹面、凸面とも１０００ｍｍとして設計しているが、上述したように、焦点深度内であればスクリーン５の曲率半径は任意に設定することができる。また、ここでは、レンズの位置調整によってスクリーン５を平面、凹面および凸面とする場合について説明したが、それらの範囲内でレンズ位置を調整した場合には、像面の曲率半径の絶対値が１０００ｍｍ〜∞の範囲で良好な性能が得られる。
【０２１８】
また、本実施の形態では、第１レンズ群１内の、それぞれ負および正のパワーをもつ２つのサブレンズ群１１１，１１２を移動させたが、この場合と同一の作用を有する限り、第１レンズ群１内の異なるレンズを移動させてもよい。
【０２１９】
以上説明したように、本発明の実施の形態５の投写光学系５００は、サブレンズ群１１１およびサブレンズ群１１２を移動させることにより、像面の曲率を変更する（すなわち、像面を、平面、凹面または凸面に変更する）ことができる。さらに、凹面または凸面の場合に、スクリーン５の位置を適切に設定することにより、画像サイズの変動を低減することができる。従って、所望のスクリーン形状およびサイズに合った像面を得ることができる。また、このようにスクリーン形状およびサイズに合った像面が得られるため、映像光の焦点ずれによる性能劣化を抑制することができる。
【０２２０】
以上の説明では、軸上光と周縁光について、タンジェンシャル（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）面をもとに説明したが、中間光およびサジタル（Ｓａｇｉｔｔａｌ）面に対しても、上記と同様に考えることができる。このことは、先に説明した良好なスポットダイアグラムから明らかである。すなわち、投写光学系を構成する各レンズおよび各レンズ群の作用は、軸上光から周縁光にかけて連続的に変化し、第２レンズ群に対する中間光の集光位置は、軸上光と周縁光の間に存在する。これにより、像面はなめらかな凹面及び凸面にすることができる。
【０２２１】
また、レンズおよびレンズ群が、軸上光、中間光および周縁光に対して上述した作用を発揮するためには、距離や収束角などに関する上記の式を適宜境界条件とし、レンズの厚みや面形状、面間隔などの光学パラメータを最適化すればよい。また、像面の形状や位置をより細やかに制御するためには、レンズ面形状を非球面にすることが有効である。
【０２２２】
また、以上の説明では、像面は光軸上を含むこととしているが、これに限らず、表示デバイスを光軸からオフセットさせてスクリーンに斜めに投写するなど、光軸上を含まないように構成することも可能である。
【０２２３】
また、以上の説明では、像面は球面であるとしたが、これに限らず、レンズパラメータの変更や自由曲面レンズの適用等によって、像面を非球面や自由曲面とすることも可能である。
【０２２４】
また、上述したように、スクリーン形状は、球面には限定されない。スクリーン面が各像点の焦点深度内で光束と交わるのであれば、例えば、非球面や自由曲面であってもよい。
【０２２５】
また、上記の実施の形態２〜５における投写光学系は、一例として、実施の形態１で説明した車載用の投写型画像表示装置（図３）に適用することができる。また、車載用以外の用途の投写型画像表示装置に適用することもできる。
【符号の説明】
【０２２６】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ  第１レンズ群、  ２，２ａ，２ｂ，２ｃ  第２レンズ群、  １１，１２  レンズ、  １１０，１１１，１１２  サブレンズ群、  ２１  レンズ（第１のレンズ）、  ２２  レンズ（第２のレンズ）、  ３  表示デバイス、  ４  光軸、  ５，５１，５２，５３  スクリーン、  ６  光源、  ７  光均一化素子、  ８  照明光学素子、  Ｐ  瞳、  １０，２０，３０，４０，５０  投写型画像表示装置、  １００，２００，３００，４００，５００  投写光学系、  １０１  照明光学系、  ＰＳ  全反射プリズム。
【図１】
0005615449.tif 000018
【図２】
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【図３】
0005615449.tif 000020
【図４】
0005615449.tif 000021
【図５】
0005615449.tif 000022
【図６】
0005615449.tif 000023
【図７】
0005615449.tif 000024
【図８】
0005615449.tif 000025
【図９】
0005615449.tif 000026
【図１０】
0005615449.tif 000027
【図１１Ａ】
0005615449.tif 000028
【図１１Ｂ】
0005615449.tif 000029
【図１１Ｃ】
0005615449.tif 000030
【図１２】
0005615449.tif 000031
【図１３】
0005615449.tif 000032
【図１４】
0005615449.tif 000033
【図１５】
0005615449.tif 000034
【図１６】
0005615449.tif 000035
【図１７】
0005615449.tif 000036
【図１８Ａ】
0005615449.tif 000037
【図１８Ｂ】
0005615449.tif 000038
【図１８Ｃ】
0005615449.tif 000039
【図１９】
0005615449.tif 000040
【図２０】
0005615449.tif 000041
【図２１】
0005615449.tif 000042
【図２２】
0005615449.tif 000043
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
0005615449.tif 000046
【図２６】
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【図２７】
0005615449.tif 000048
【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
0005615449.tif 000050
【図２８Ｃ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
0005615449.tif 000054
【図３２】
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【図３３】
0005615449.tif 000056
【図３４】
0005615449.tif 000057
【図３５Ａ】
0005615449.tif 000058
【図３５Ｂ】
0005615449.tif 000059
【図３５Ｃ】
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